了解MOSFET安全工作區(qū)域SOA

如果您想知道或擔(dān)心您的MOSFET在極端條件下或極端耗散情況下究竟能承受多少功率，那么您應(yīng)該查看器件的SOA數(shù)據(jù)。

在這篇文章中，我們將全面討論MOSFET數(shù)據(jù)表中顯示的安全工作區(qū)域區(qū)域SOA。

SOA曲線圖

以下是MOSFET安全工作區(qū)域SOA圖，通常在所有LEIDITECHMOSFET數(shù)據(jù)表中都可以看到。

圖中figure8 MOSFET SOA 被描述為指定FET在飽和區(qū)工作時(shí)可以處理的最大功率的幅度。

SOA圖的放大圖如下圖所示。

在上面的SOA圖中，我們能夠看到所有這些限制和邊界。在圖表的更深處，我們發(fā)現(xiàn)許多不同的單個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間的額外限制。圖中的這些線可以通過計(jì)算或物理測(cè)量來(lái)確定。

在較早和較早的數(shù)據(jù)表中，這些參數(shù)是用計(jì)算值估計(jì)的。

但是，通常建議對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。如果您使用公式對(duì)它們進(jìn)行評(píng)估，您最終可能會(huì)得到比實(shí)際應(yīng)用中FET所能承受的實(shí)際值大得多的假設(shè)值?；蛘撸鄬?duì)于FET實(shí)際可以處理的內(nèi)容，您可能會(huì)將參數(shù)降級(jí)(過度補(bǔ)償)到一個(gè)可能過于柔和的水平。

因此，在我們接下來(lái)的討論中，我們學(xué)習(xí)了通過真正實(shí)用的方法而不是通過公式或模擬來(lái)評(píng)估的SOA參數(shù)。

讓我們首先了解什么是FET中的飽和模式和線性模式。

線性模式與飽和模式

參考上圖，線性模式定義為RDS(on)或FET的漏源電阻一致的區(qū)域。

這意味著，通過FET的電流與通過FET的漏源偏壓成正比。它通常也被稱為歐姆區(qū)，因?yàn)镕ET的作用本質(zhì)上類似于固定電阻器。

現(xiàn)在，如果我們開始增加FET的漏源偏置電壓，我們最終會(huì)發(fā)現(xiàn)FET在稱為飽和區(qū)的區(qū)域工作。一旦MOSFET工作被迫進(jìn)入飽和區(qū)，通過MOSFET穿過漏極到源極的電流(安培)不再響應(yīng)漏極到源極偏置電壓的增加。

因此，無(wú)論您增加多少漏極電壓，該FET都會(huì)繼續(xù)通過它傳輸固定的最大電流水平。

控制電流的唯一方法通常是改變柵源電壓。但是，這種情況似乎有點(diǎn)令人費(fèi)解，因?yàn)檫@些通常是您對(duì)線性和飽和區(qū)域的教科書描述。之前我們了解到，這個(gè)參數(shù)通常被稱為歐姆區(qū)域。然而，有些人實(shí)際上將其命名為線性區(qū)域。也許，心態(tài)是，嗯，這看起來(lái)像一條直線，所以它必須是線性的?

如果你注意到人們?cè)谟懻摕岵灏螒?yīng)用程序，他們會(huì)說(shuō)，好吧，我在線性區(qū)域工作。但這本質(zhì)上在技術(shù)上是不合適的。

了解MOSFET SOA

現(xiàn)在，既然我們知道了什么是FET飽和區(qū)域，我們現(xiàn)在可以詳細(xì)查看我們的SOA圖。SOA可以分解為5個(gè)單獨(dú)的限制。讓我們了解它們到底是什么。

RDS(on) 限制

圖中的第一條灰色線表示FET的RDS(on)限制。這是由于器件的導(dǎo)通電阻而有效限制通過FET的最大電流量的區(qū)域。

換言之，它表示在MOSFET的最大可容忍結(jié)溫下可能存在的MOSFET的最高導(dǎo)通電阻。

我們觀察到這條灰線具有一個(gè)正的恒定斜率，這僅僅是因?yàn)檫@條線內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)都具有相同數(shù)量的導(dǎo)通電阻，根據(jù)歐姆定律，其中規(guī)定R等于V除以I。

電流限制

SOA圖中的下一條限制線表示當(dāng)前限制。在圖表上方，可以看到由藍(lán)色、綠色、紫色線表示的不同脈沖值，上方水平黑線限制為400安培。

紅線的短水平部分表示器件的封裝限制，或FET的連續(xù)電流限制(DC)，約為200安培。

最大功率限制

第三個(gè)SOA限制是MOSFET的最大功率限制線，由橙色斜線表示。

正如我們注意到的那樣，這條線帶有一個(gè)恒定的斜率，但卻是一個(gè)負(fù)斜率。它是恒定的，因?yàn)檫@條SOA功率限制線上的每個(gè)點(diǎn)都承載相同的恒定功率，由公式P= IV 表示。

因此，在這個(gè)SOA對(duì)數(shù)曲線中，這會(huì)產(chǎn)生-1的斜率。負(fù)號(hào)是因?yàn)榱鬟^MOSFET的電流隨著漏源電壓的增加而減少。

這種現(xiàn)象主要是由于MOSFET的負(fù)系數(shù)特性在結(jié)溫升高時(shí)會(huì)限制通過器件的電流。

熱不穩(wěn)定性限制

接下來(lái)，在其安全工作區(qū)域內(nèi)的第四個(gè)MOSFET限制由黃色斜線表示，它代表熱不穩(wěn)定性限制。

正是在SOA的這個(gè)區(qū)域中，對(duì)于實(shí)際測(cè)量設(shè)備的運(yùn)行能力變得非常重要。這是因?yàn)闊o(wú)法通過任何適當(dāng)?shù)姆绞筋A(yù)測(cè)該熱不穩(wěn)定區(qū)域。

因此，我們實(shí)際上需要對(duì)這方面的MOSFET進(jìn)行分析，找出FET可能失效的地方，具體器件的工作能力究竟如何?

因此我們現(xiàn)在可以看到，如果我們采取這個(gè)最大功率限制，并將其一直延伸到黃線的底部，那么，我們突然發(fā)現(xiàn)了什么?

我們發(fā)現(xiàn)MOSFET故障限制處于非常低的水平，與數(shù)據(jù)表上宣傳的最大功率限制區(qū)域(由橙色斜率表示)相比，該值要低得多。

或者假設(shè)我們碰巧過于保守，并告訴人們，嘿，黃線的底部區(qū)域?qū)嶋H上是FET可以處理的最大值。好吧，這個(gè)聲明我們可能是最安全的，但是我們可能已經(jīng)過度補(bǔ)償了設(shè)備的功率限制能力，這可能不合理，對(duì)吧?

這就是為什么這個(gè)熱不穩(wěn)定區(qū)域不能用公式確定或聲稱，而是必須實(shí)際測(cè)試的原因。

擊穿電壓限制

SOA圖中的第五個(gè)限制區(qū)域是擊穿電壓限制，由黑色垂直線表示。這僅僅是FET的最大漏源電壓處理能力。

根據(jù)圖表，該設(shè)備具有100伏BVDSS，這解釋了為什么這條黑色垂直線在100伏漏源標(biāo)記處強(qiáng)制執(zhí)行。

多研究熱不穩(wěn)定性的早期概念會(huì)很有趣。為此，我們需要概述一個(gè)稱為“溫度系數(shù)”的短語(yǔ)。

MOSFET 溫度系數(shù)

MOSFET溫度系數(shù)可以定義為電流隨MOSFET結(jié)溫變化的變化。

Tc= ?ID/ ?Tj

因此，當(dāng)我們?cè)谄鋽?shù)據(jù)表中檢查MOSFET的傳輸特性曲線時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)FET的漏源電流與FET增加的柵源電壓的關(guān)系，我們還發(fā)現(xiàn)該特性在3不同的溫度范圍。

零溫度系數(shù)(ZTC)

如果我們查看用橙色圓圈表示的點(diǎn)，這就是我們所說(shuō)的MOSFET的零溫度系數(shù)。

在這一點(diǎn)上，即使器件的結(jié)溫不斷升高，也不會(huì)增強(qiáng)通過FET的電流傳輸。

?ID/?Tj=0

其中ID為MOSFET的漏極電流，Tj代表器件的結(jié)溫

如果我們觀察這個(gè)零溫度系數(shù)(橙色圓圈)之上的區(qū)域，當(dāng)我們從負(fù)溫度-55攝氏度移動(dòng)到125攝氏度時(shí)，通過FET的電流實(shí)際上開始下降。

?ID/?Tj<0

這種情況表明MOSFET確實(shí)變熱了，但通過器件消耗的功率卻越來(lái)越低。這意味著設(shè)備實(shí)際上不存在不穩(wěn)定的危險(xiǎn)，并且可能允許設(shè)備過熱，并且與BJT不同，可能沒有熱失控情況的風(fēng)險(xiǎn)。

然而，在零溫度系數(shù)(橙色圓圈)以下區(qū)域的電流下，我們注意到了這樣一種趨勢(shì)，即器件溫度的升高，即跨過負(fù)-55到125度，導(dǎo)致電流傳輸容量為實(shí)際增加的設(shè)備。

?ID/?Tj>0

這是因?yàn)镸OSFET的溫度系數(shù)在這些點(diǎn)上高于零。但是，另一方面，通過MOSFET的電流增加會(huì)導(dǎo)致MOSFET的RDS(on)(漏源電阻)成比例地增加，并且還會(huì)導(dǎo)致器件的體溫逐漸成比例地升高，從而導(dǎo)致更大的電流通過設(shè)備傳輸。當(dāng)MOSFET進(jìn)入正反饋環(huán)路的這個(gè)區(qū)域時(shí)，它可能會(huì)導(dǎo)致MOSFET行為不穩(wěn)定。

然而，沒有人能判斷上述情況是否會(huì)發(fā)生，也沒有簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)來(lái)預(yù)測(cè)這種不穩(wěn)定性何時(shí)會(huì)在MOSFET內(nèi)部出現(xiàn)。

這是因?yàn)镸OSFET可能涉及大量參數(shù)，具體取決于其單元密度結(jié)構(gòu)本身，或封裝的靈活性，以均勻地散發(fā)整個(gè)MOSFET主體的熱量。

由于這些不確定性，必須為每個(gè)特定的MOSFET確認(rèn)指定區(qū)域中的熱失控或任何熱不穩(wěn)定性等因素。不，MOSFET的這些屬性不能簡(jiǎn)單地通過應(yīng)用最大功率損耗方程來(lái)猜測(cè)。

為什么SOA 如此重要?

SOA數(shù)據(jù)在器件經(jīng)常在飽和區(qū)工作的MOSFET應(yīng)用中非常有用。

它在熱插拔控制器應(yīng)用中也很有用，在這些應(yīng)用中，通過參考其SOA圖表來(lái)準(zhǔn)確了解MOSFET能夠承受多少功率變得至關(guān)重要。

實(shí)際上，您會(huì)發(fā)現(xiàn)MOSFET安全工作區(qū)值往往對(duì)大多數(shù)處理電機(jī)控制、逆變器/轉(zhuǎn)換器或SMPS產(chǎn)品的消費(fèi)者非常有用，這些產(chǎn)品通常在極端溫度或過載條件下運(yùn)行。