Forståelse af MOSFET Safe Operating Area eller SOA

Hvis du undrer dig over eller er bekymret for præcist, hvor meget strøm din MOSFET kan tåle under ekstreme forhold eller under ekstreme dissipative situationer, så er SOA-tallene for enheden nøjagtigt det, du skal se på.

I dette indlæg vil vi udførligt diskutere det sikre driftsområde eller SOA, som det vises i MOSFET-databladet.

Følgende er det MOSFET sikre driftsområde eller SOA-grafen, som normalt ses i alle Texas Instruments dataark.

MOSFET SOA er beskrevet som størrelsen, der angiver den maksimale effekt, som FET kan håndtere, mens den fungerer i mætningsområdet.

Det forstørrede glimt af SOA-grafen kan ses i det næste billede nedenfor.

I SOA-grafen ovenfor kan vi se alle disse begrænsninger og grænser. Og længere dybere i grafen finder vi yderligere begrænsninger for mange forskellige individuelle pulsvarigheder. Og disse linjer inde i grafen kunne bestemmes enten gennem beregninger eller fysiske målinger.

I tidligere og ældre datablade blev disse parametre estimeret med beregnede værdier.

Det anbefales dog normalt, at disse parametre måles praktisk. Hvis du vurderer dem ved hjælp af formler, kan du ende med at få hypotetiske værdier, som bogstaveligt talt kan være meget større end FET kan tåle i den virkelige verdens anvendelse. Eller måske nedsætter du (overkompenserer) parametrene til et niveau, der kan være alt for dæmpet, i forhold til hvad FET rent faktisk kan håndtere.

Så i vores følgende diskussioner lærer vi SOA-parametrene, som evalueres ved hjælp af ægte praktiske metoder og ikke ved hjælp af formler eller simuleringer.

Lad os begynde med at forstå, hvad der er mætningstilstand og lineær tilstand i FET'er.

Lineær tilstand vs mætningstilstand

Med henvisning til ovenstående graf er lineær tilstand defineret som det område, hvor RDS (til) eller afløbskildemodstanden for FET er konsistent.

Dette betyder, at strømmen, der passerer gennem FET, er direkte proportional med afløb til kilde-bias gennem FET. Det er også ofte kendt som det ohmske område, da FET i det væsentlige fungerer svarende til en fast modstand.

Nu, hvis vi begynder at øge spændingen til afløbskildeforspændingen til FET, finder vi til sidst FET, der fungerer i en region kendt som mætningsregionen. Når MOSFET-operationen er tvunget ind i mætningsområdet, reagerer strømmen (forstærkere), der bevæger sig via MOSFET over afløb til kilde, ikke længere på forspændingen til afløb til kilde.

Derfor uanset hvor meget du øger afløbsspændingen, fortsætter denne FET med at overføre et fast maksimalt strømniveau gennem det.

Den eneste måde, hvorpå du er i stand til at manipulere strømmen, er normalt ved at variere gate-til-kildespænding.

Denne situation ser imidlertid ud til at være lidt forvirrende, da disse generelt er dine lærebogsbeskrivelser af lineær og mætningsregion. Tidligere lærte vi, at denne parameter ofte kaldes det ohmske område. Ikke desto mindre nævner nogle få mennesker dette som den lineære region. Måske er tankegangen godt, dette ligner en lige linje, så den skal være lineær?

Hvis du bemærker, at folk diskuterer hot-swap-applikationer, vil de udtrykke, ja, jeg arbejder i en lineær region. Men det er i det væsentlige teknologisk upassende.

Forståelse af MOSFET SOA

Nu da vi ved, hvad en FET-mætningsregion er, kan vi nu gennemgå vores SOA-graf i detaljer. SOA kunne opdeles i 5 individuelle begrænsninger. Lad os lære, hvad de præcist er.

RDS (til) begrænsning

Den første linje i grafen, som er grå i farven, repræsenterer RDS (on) begrænsningen af ​​FET. Og dette er regionen, der effektivt begrænser den maksimale strøm gennem FET på grund af enhedens on-resistens.

Med andre ord indikerer det den højeste modstandsdygtighed for MOSFET, der kan eksistere ved MOSFETs maksimalt tolerable forbindelsestemperatur.

Vi bemærker, at denne grå linje har en positiv konstant hældning af enhed, simpelthen fordi hvert punkt inden for denne linje har en identisk mængde ON-modstand i overensstemmelse med Ohms lov, som siger R lig med V divideret med I.

Nuværende begrænsning

Den næste begrænsningslinje i SOA-grafen repræsenterer den aktuelle begrænsning. Oppe på grafen kan de forskellige pulsværdier, der er angivet med de blå, grønne, violette linjer ses, begrænset til 400 ampere af den øverste vandrette sorte linje.

Det korte vandrette afsnit af den RØDE linie angiver enhedens pakkebegrænsning eller FET's kontinuerlige strømbegrænsning (DC) på omkring 200 ampere.

Maksimal effektbegrænsning

Den tredje SOA-begrænsning er den maksimale effektbegrænsningslinje for MOSFET, repræsenteret af den orange skrånende linje.

Som vi bemærker, har denne linje en konstant hældning, men en negativ. Det er konstant, da hvert punkt på denne SOA-effektgrænselinje har den samme konstante effekt, repræsenteret af formlen P = IV.

Derfor genererer dette i denne SOA logaritmiske kurve en hældning på -1. Det negative tegn skyldes, at strømmen gennem MOSFET her aftager, når afløbsspændingen stiger.

Dette fænomen skyldes primært de negative koefficientkarakteristika ved MOSFET, som begrænser strøm gennem enheden, når dens forbindelsestemperatur stiger.

Begrænsning af termisk ustabilitet

Dernæst er den fjerde MOSFET-begrænsning på tværs af sit sikre driftsområde angivet med den gule skrånende linje, der repræsenterer den termiske ustabilitetsbegrænsning.

Det er på tværs af denne region af SOA, som bliver virkelig afgørende for faktisk at måle enhedens driftskapacitet. Dette skyldes, at denne termiske ustabilitetsregion ikke kan forudsiges på nogen ordentlig måde.

Derfor er vi praktisk taget nødt til at analysere MOSFET i dette område for at finde ud af, hvor FET kan mislykkes, og nøjagtigt hvad den specifikke enheds funktionsevne er?

Således kan vi se lige nu, hvis vi skulle tage denne maksimale effektbegrænsning og udvide den helt ned i bunden af ​​den gule linje, hvad finder vi så pludselig?

Vi finder ud af, at MOSFET-fejlbegrænsningen lander på det meget lave niveau, hvilket er meget lavere i værdi sammenlignet med den maksimale effektbegrænsningsregion, der fremmes på databladet (repræsenteret af den orange hældning).

Eller antag, at vi tilfældigvis er for meget konservative, og fortæller folket, at hej se det nederste område af den gule linje er faktisk, hvad FET kan håndtere maksimalt. Nå, vi kan være på den sikreste side med denne erklæring, men så har vi måske overkompenseret enhedens effektbegrænsningsevne, hvilket måske ikke er rimelig, ikke?

Det er nøjagtigt, hvorfor denne termiske ustabilitetsregion ikke kan bestemmes eller hævdes med formler, men skal faktisk testes.

Begrænsning af spændingsfordeling

Den femte begrænsningsregion i SOA-grafen er nedbrydningsspændingsbegrænsningen repræsenteret af den sorte lodrette linje. Hvilket kun er FET's maksimale kapacitet til håndtering af afløbsspænding.

I henhold til grafen har enheden en 100-volts BVDSS, hvilket forklarer, hvorfor denne sorte lodrette linje håndhæves ved 100 volt afløbskildemærke.

Det ville være interessant at undersøge den tidligere forestilling om termisk ustabilitet lidt mere. For at opnå dette bliver vi nødt til at skitsere en sætning kaldet 'temperaturkoefficient'.

MOSFET Temperaturkoefficient

MOSFET temperaturkoefficient kan defineres som ændringen i strøm i forhold til ændringen i krydsetemperaturen for MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Derfor, når vi undersøger overførselsegenskabskurven for en MOSFET i dens datablad, finder vi FET's afløb-til-kildestrøm versus FET's stigende gate-til-kildespænding, finder vi også, at disse egenskaber evalueres ved 3 forskellige temperaturområder.

Nul temperaturkoefficient (ZTC)

Hvis vi ser på det punkt, der er repræsenteret med den orange cirkel, er det det, vi vil angive som nul temperaturkoefficient for MOSFET .

På dette tidspunkt producerer selv om enhedens forbindelsestemperatur fortsat stiger, ingen forbedring af den aktuelle overførsel gennem FET.

Jeg_D/ ∂T_j = 0 , hvor jeg_D er MOSFETs afløbsstrøm, T_j repræsenterer enhedens forbindelsestemperatur

Hvis vi ser på regionen over denne nul temperaturkoefficient (orange cirkel), når vi bevæger os fra den negative -55 til 125 grader Celsius, begynder strømmen gennem FET faktisk at falde.

Jeg_D/ ∂T_j <0

Denne situation er tegn på, at MOSFET virkelig bliver varmere, men den strøm, der spredes gennem enheden, bliver lavere. Dette indebærer, at der faktisk ikke er nogen fare for ustabilitet for enheden, og overophedning af enheden kan være tilladt, og i modsætning til BJT'er er der muligvis ingen risiko for en termisk løbssituation.

Imidlertid bemærker vi ved strømme i området under temperaturkoefficienten nul (orange cirkel) tendensen, hvor en stigning i enhedens temperatur, det vil sige over de negative -55 til 125 grader, forårsager den aktuelle overførselskapacitet på enheden faktisk øges.

Jeg_D/ ∂T_j > 0

Dette sker på grund af det faktum, at temperaturkoefficienten for MOSFET er på disse punkter højere end nul. Men på den anden side forårsager en stigning i strøm gennem MOSFET en forholdsmæssig stigning i MOSFETs RDS (on) (afløbskildemodstand) og forårsager også en forholdsmæssig stigning i enhedens kropstemperatur, hvilket fører til yderligere strøm overførsel gennem enheden. Når MOSFET kommer ind i denne region med en positiv feedback-loop, kan den udvikle en ustabilitet i MOSFET-opførslen.

Ingen kan dog fortælle, om ovenstående situation kan ske eller ej, og der er ikke noget let design til forudsigelse, når denne form for ustabilitet kan opstå inden for MOSFET.

Dette skyldes, at der kan være masser af parametre involveret i MOSFET afhængigt af selve celledensitetsstrukturen eller pakkens fleksibilitet til at sprede varmen jævnt gennem hele MOSFET-kroppen.

På grund af disse usikkerheder skal faktorer som termisk løb eller enhver termisk ustabilitet i de angivne regioner bekræftes for hver bestemt MOSFET. Nej, disse egenskaber ved MOSFET kan ikke gises ved blot at anvende den maksimale effekttabligning.

Hvorfor SOA er så afgørende

SOA-tallene kan være kritisk nyttige i MOSFET-applikationer, hvor enheden ofte betjenes i mætningsregionerne.

Det er også nyttigt i hot-swap eller Oring-controller-applikationer, hvor det bliver afgørende at vide nøjagtigt, hvor meget strøm MOSFET vil være i stand til at tolerere ved at henvise til deres SOA-diagrammer.

Praktisk vil du opdage, at MOSFET-sikre driftsarealværdier har tendens til at være meget nyttige for de fleste forbrugere, der beskæftiger sig med motorstyring, inverter / konverter eller SMPS-produkter, hvor enheden normalt bruges under ekstreme temperatur- eller overbelastningsforhold.

Kilder: MOSFET træning , Sikkert driftsområde