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上海雷卯电子

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上海雷卯电子,品牌LEIDITECH,上海市高新技术企业,研发生产防静电防浪涌TVS/ESD及相关EMC元器件,设计EMC保护方案。

MOSFET安全工作区域SOA

05-03 140浏览量

 

了解MOSFET安全工作区域SOA

如果您想知道或担心您的MOSFET在极端条件下或极端耗散情况下究竟能承受多少功率,那么您应该查看器件的SOA数据。

在这篇文章中,我们将全面讨论MOSFET数据表中显示的安全工作区域区域SOA。

SOA曲线图

以下是MOSFET安全工作区域SOA图,通常在所有LEIDITECHMOSFET数据表中都可以看到。

图中figure8   MOSFET SOA 被描述为指定FET在饱和区工作时可以处理的最大功率的幅度。

SOA图的放大图如下图所示。

在上面的SOA图中,我们能够看到所有这些限制和边界。在图表的更深处,我们发现许多不同的单个脉冲持续时间的额外限制。图中的这些线可以通过计算或物理测量来确定。

在较早和较早的数据表中,这些参数是用计算值估计的。

但是,通常建议对这些参数进行实际测量。如果您使用公式对它们进行评估,您最终可能会得到比实际应用中FET所能承受的实际值大得多的假设值。或者,相对于FET实际可以处理的内容,您可能会将参数降级(过度补偿)到一个可能过于柔和的水平。

因此,在我们接下来的讨论中,我们学习了通过真正实用的方法而不是通过公式或模拟来评估的SOA参数。

让我们首先了解什么是FET中的饱和模式和线性模式。

线性模式与饱和模式

参考上图,线性模式定义为RDS(on)或FET的漏源电阻一致的区域。

这意味着,通过FET的电流与通过FET的漏源偏压成正比。它通常也被称为欧姆区,因为FET的作用本质上类似于固定电阻器。

现在,如果我们开始增加FET的漏源偏置电压,我们最终会发现FET在称为饱和区的区域工作。一旦MOSFET工作被迫进入饱和区,通过MOSFET穿过漏极到源极的电流(安培)不再响应漏极到源极偏置电压的增加。

因此,无论您增加多少漏极电压,该FET都会继续通过它传输固定的最大电流水平。

  控制电流的唯一方法通常是改变栅源电压。但是,这种情况似乎有点令人费解,因为这些通常是您对线性和饱和区域的教科书描述。之前我们了解到,这个参数通常被称为欧姆区域。然而,有些人实际上将其命名为线性区域。也许,心态是,嗯,这看起来像一条直线,所以它必须是线性的?

如果你注意到人们在讨论热插拔应用程序,他们会说,好吧,我在线性区域工作。但这本质上在技术上是不合适的。

了解MOSFET SOA

现在,既然我们知道了什么是FET饱和区域,我们现在可以详细查看我们的SOA图。SOA可以分解为5个单独的限制。让我们了解它们到底是什么。

RDS(on) 限制

图中的第一条灰色线表示FET的RDS(on)限制。这是由于器件的导通电阻而有效限制通过FET的最大电流量的区域。

换言之,它表示在MOSFET的最大可容忍结温下可能存在的MOSFET的最高导通电阻。

我们观察到这条灰线具有一个正的恒定斜率,这仅仅是因为这条线内的每个点都具有相同数量的导通电阻,根据欧姆定律,其中规定R等于V除以I。

电流限制

SOA图中的下一条限制线表示当前限制。在图表上方,可以看到由蓝色、绿色、紫色线表示的不同脉冲值,上方水平黑线限制为400安培。

红线的短水平部分表示器件的封装限制,或FET的连续电流限制(DC),约为200安培。

最大功率限制

第三个SOA限制是MOSFET的最大功率限制线,由橙色斜线表示。

正如我们注意到的那样,这条线带有一个恒定的斜率,但却是一个负斜率。它是恒定的,因为这条SOA功率限制线上的每个点都承载相同的恒定功率,由公式P= IV 表示。

因此,在这个SOA对数曲线中,这会产生-1的斜率。负号是因为流过MOSFET的电流随着漏源电压的增加而减少。

这种现象主要是由于MOSFET的负系数特性在结温升高时会限制通过器件的电流。

热不稳定性限制

接下来,在其安全工作区域内的第四个MOSFET限制由黄色斜线表示,它代表热不稳定性限制。

正是在SOA的这个区域中,对于实际测量设备的运行能力变得非常重要。这是因为无法通过任何适当的方式预测该热不稳定区域。

因此,我们实际上需要对这方面的MOSFET进行分析,找出FET可能失效的地方,具体器件的工作能力究竟如何?

因此我们现在可以看到,如果我们采取这个最大功率限制,并将其一直延伸到黄线的底部,那么,我们突然发现了什么?

我们发现MOSFET故障限制处于非常低的水平,与数据表上宣传的最大功率限制区域(由橙色斜率表示)相比,该值要低得多。

或者假设我们碰巧过于保守,并告诉人们,嘿,黄线的底部区域实际上是FET可以处理的最大值。好吧,这个声明我们可能是最安全的,但是我们可能已经过度补偿了设备的功率限制能力,这可能不合理,对吧?

这就是为什么这个热不稳定区域不能用公式确定或声称,而是必须实际测试的原因。

击穿电压限制

SOA图中的第五个限制区域是击穿电压限制,由黑色垂直线表示。这仅仅是FET的最大漏源电压处理能力。

根据图表,该设备具有100伏BVDSS,这解释了为什么这条黑色垂直线在100伏漏源标记处强制执行。

多研究热不稳定性的早期概念会很有趣。为此,我们需要概述一个称为“温度系数”的短语。

MOSFET 温度系数

MOSFET温度系数可以定义为电流随MOSFET结温变化的变化。

Tc= ∂ID/ ∂Tj

因此,当我们在其数据表中检查MOSFET的传输特性曲线时,我们发现FET的漏源电流与FET增加的栅源电压的关系,我们还发现该特性在3不同的温度范围。

零温度系数(ZTC)

如果我们查看用橙色圆圈表示的点,这就是我们所说的MOSFET的零温度系数。

在这一点上,即使器件的结温不断升高,也不会增强通过FET的电流传输。

∂ID /∂Tj =0

其中ID为MOSFET的漏极电流, Tj代表器件的结温

如果我们观察这个零温度系数(橙色圆圈)之上的区域,当我们从负温度-55摄氏度移动到125摄氏度时,通过FET的电流实际上开始下降。

∂ID /∂Tj <0

这种情况表明MOSFET确实变热了,但通过器件消耗的功率却越来越低。这意味着设备实际上不存在不稳定的危险,并且可能允许设备过热,并且与BJT不同,可能没有热失控情况的风险。

然而,在零温度系数(橙色圆圈)以下区域的电流下,我们注意到了这样一种趋势,即器件温度的升高,即跨过负-55到125度,导致电流传输容量为实际增加的设备。

∂ID /∂Tj >0

这是因为MOSFET的温度系数在这些点上高于零。但是,另一方面,通过MOSFET的电流增加会导致MOSFET的RDS(on)(漏源电阻)成比例地增加,并且还会导致器件的体温逐渐成比例地升高,从而导致更大的电流通过设备传输。当MOSFET进入正反馈环路的这个区域时,它可能会导致MOSFET行为不稳定。

然而,没有人能判断上述情况是否会发生,也没有简单的设计来预测这种不稳定性何时会在MOSFET内部出现。

这是因为MOSFET可能涉及大量参数,具体取决于其单元密度结构本身,或封装的灵活性,以均匀地散发整个MOSFET主体的热量。

由于这些不确定性,必须为每个特定的MOSFET确认指定区域中的热失控或任何热不稳定性等因素。不,MOSFET的这些属性不能简单地通过应用最大功率损耗方程来猜测。

为什么SOA 如此重要?

SOA数据在器件经常在饱和区工作的MOSFET应用中非常有用。

它在热插拔控制器应用中也很有用,在这些应用中,通过参考其SOA图表来准确了解MOSFET能够承受多少功率变得至关重要。

实际上,您会发现MOSFET安全工作区值往往对大多数处理电机控制、逆变器/转换器或SMPS产品的消费者非常有用,这些产品通常在极端温度或过载条件下运行。

 

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