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      博客專欄

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      MOSFET 安全工作區域 SOA是什么

      發布人:leiditechsh時間:2022-05-06來源:工程師

      如果您想知道或擔心您的 MOSFET 在極端條件下或極端耗散情況下究竟能承受多少功率,那么您應該查看器件的 SOA 數據。

      在這篇文章中,我們將全面討論 MOSFET 數據表中顯示的安全工作區域 SOA。

      SOA曲線圖

      以下是 MOSFET 安全工作區域 SOA 圖,通常在所有雷卯電子LEIDITECH MOSFET數據表中都可以看到。

      圖中figure 8 MOSFET SOA 被描述為指定 FET 在飽和區工作時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,我們發現許多不同的單個脈沖持續時間的額外限制。圖中的這些線可以通過計算或物理測量來確定。

      在較早和較早的數據表中,這些參數是用計算值估計的。

      但是,通常建議對這些參數進行實際測量。如果您使用公式對它們進行評估,您最終可能會得到比實際應用中 FET 所能承受的實際值大得多的假設值?;蛘?,相對于 FET 實際可以處理的內容,您可能會將參數降級(過度補償)到一個可能過于柔和的水平。

      因此,在我們接下來的討論中,我們學習了通過真正實用的方法而不是通過公式或模擬來評估的 SOA 參數。

      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,因為 FET 的作用本質上類似于固定電阻器。

      現在,如果我們開始增加 FET 的漏源偏置電壓,我們最終會發現 FET 在稱為飽和區的區域工作。一旦 MOSFET 工作被迫進入飽和區,通過 MOSFET 穿過漏極到源極的電流(安培)不再響應漏極到源極偏置電壓的增加。

      因此,無論您增加多少漏極電壓,該 FET 都會繼續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,這種情況似乎有點令人費解,因為這些通常是您對線性和飽和區域的教科書描述。之前我們了解到,這個參數通常被稱為歐姆區域。然而,有些人實際上將其命名為線性區域。也許,心態是,嗯,這看起來像一條直線,所以它必須是線性的?

      如果你注意到人們在討論熱插拔應用程序,他們會說,好吧,我在線性區域工作。但這本質上在技術上是不合適的。

      了解 MOSFET SOA

      現在,既然我們知道了什么是 FET 飽和區域,我們現在可以詳細查看我們的 SOA 圖。SOA 可以分解為 5 個單獨的限制。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。這是由于器件的導通電阻而有效限制通過 FET 的最大電流量的區域。

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

      我們觀察到這條灰線具有一個正的恒定斜率,這僅僅是因為這條線內的每個點都具有相同數量的導通電阻,根據歐姆定律,其中規定 R 等于 V 除以 I。

      電流限制

      SOA 圖中的下一條限制線表示當前限制。在圖表上方,可以看到由藍色、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 的連續電流限制 (DC),約為 200 安培。

      最大功率限制

      第三個 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,這條線帶有一個恒定的斜率,但卻是一個負斜率。它是恒定的,因為這條 SOA 功率限制線上的每個點都承載相同的恒定功率,由公式 P = IV 表示。

      因此,在這個 SOA 對數曲線中,這會產生 -1 的斜率。負號是因為流過 MOSFET 的電流隨著漏源電壓的增加而減少。

      這種現象主要是由于 MOSFET 的負系數特性在結溫升高時會限制通過器件的電流。

      熱不穩定性限制

      接下來,在其安全工作區域內的第四個 MOSFET 限制由黃色斜線表示,它代表熱不穩定性限制。

      正是在 SOA 的這個區域中,對于實際測量設備的運行能力變得非常重要。這是因為無法通過任何適當的方式預測該熱不穩定區域。

      因此,我們實際上需要對這方面的MOSFET進行分析,找出FET可能失效的地方,具體器件的工作能力究竟如何?

      因此我們現在可以看到,如果我們采取這個最大功率限制,并將其一直延伸到黃線的底部,那么,我們突然發現了什么?

      我們發現 MOSFET 故障限制處于非常低的水平,與數據表上宣傳的最大功率限制區域(由橙色斜率表示)相比,該值要低得多。

      或者假設我們碰巧過于保守,并告訴人們,嘿,黃線的底部區域實際上是 FET 可以處理的最大值。好吧,這個聲明我們可能是最安全的,但是我們可能已經過度補償了設備的功率限制能力,這可能不合理,對吧?

      這就是為什么這個熱不穩定區域不能用公式確定或聲稱,而是必須實際測試的原因。

      擊穿電壓限制

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

      根據圖表,該設備具有 100 伏 BVDSS,這解釋了為什么這條黑色垂直線在 100 伏漏源標記處強制執行。

      多研究熱不穩定性的早期概念會很有趣。為此,我們需要概述一個稱為“溫度系數”的短語。

      MOSFET 溫度系數

      MOSFET 溫度系數可以定義為電流隨 MOSFET 結溫變化的變化。

      Tc = ?ID / ?Tj

      因此,當我們在其數據表中檢查 MOSFET 的傳輸特性曲線時,我們發現 FET 的漏源電流與 FET 增加的柵源電壓的關系,我們還發現該特性在 3不同的溫度范圍。

      零溫度系數 (ZTC)

      如果我們查看用橙色圓圈表示的點,這就是我們所說的 MOSFET 的零溫度系數。

      在這一點上,即使器件的結溫不斷升高,也不會增強通過 FET 的電流傳輸。

      ?ID / ?Tj = 0

      其中ID為 MOSFET 的漏極電流, Tj代表器件的結溫

      如果我們觀察這個零溫度系數(橙色圓圈)之上的區域,當我們從負溫度 -55 攝氏度移動到 125 攝氏度時,通過 FET 的電流實際上開始下降。

      ?ID / ?Tj < 0

      這種情況表明 MOSFET 確實變熱了,但通過器件消耗的功率卻越來越低。這意味著設備實際上不存在不穩定的危險,并且可能允許設備過熱,并且與 BJT 不同,可能沒有熱失控情況的風險。

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

      ?ID / ?Tj > 0

      這是因為 MOSFET 的溫度系數在這些點上高于零。但是,另一方面,通過 MOSFET 的電流增加會導致 MOSFET 的 RDS(on)(漏源電阻)成比例地增加,并且還會導致器件的體溫逐漸成比例地升高,從而導致更大的電流通過設備傳輸。當 MOSFET 進入正反饋環路的這個區域時,它可能會導致 MOSFET 行為不穩定。

      然而,沒有人能判斷上述情況是否會發生,也沒有簡單的設計來預測這種不穩定性何時會在 MOSFET 內部出現。

      這是因為 MOSFET 可能涉及大量參數,具體取決于其單元密度結構本身,或封裝的靈活性,以均勻地散發整個 MOSFET 主體的熱量。

      由于這些不確定性,必須為每個特定的 MOSFET 確認指定區域中的熱失控或任何熱不穩定性等因素。不,MOSFET的這些屬性不能簡單地通過應用最大功率損耗方程來猜測。

      為什么 SOA 如此重要?

      SOA 數據在器件經常在飽和區工作的 MOSFET 應用中非常有用。

      它在熱插拔控制器應用中也很有用,在這些應用中,通過參考其 SOA 圖表來準確了解 MOSFET 能夠承受多少功率變得至關重要。

      實際上,您會發現 MOSFET 安全工作區值往往對大多數處理電機控制、逆變器/轉換器或 SMPS 產品的消費者非常有用,這些產品通常在極端溫度或過載條件下運行。


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      關鍵詞: MOSFET ;SOA

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