Förstå MOSFET Safe Operating Area eller SOA

Om du undrar eller är orolig över exakt hur mycket kraft din MOSFET kan tåla under extrema förhållanden eller under extrema försvinnande situationer, så är SOA-siffrorna för enheten exakt vad du bör titta på.

I det här inlägget kommer vi att diskutera det säkra operativområdet, eller SOA, som det visas i MOSFET-databladet.

Följande är det säkra MOSFET-operationsområdet eller SOA-grafen som normalt ses i alla Texas instrument datablad.

MOSFET SOA beskrivs som storleken som anger den maximala effekten som FET kan hantera medan den arbetar i mättnadsregionen.

Den förstorade glimten av SOA-grafen kan ses i nästa bild nedan.

I SOA-grafen ovan kan vi se alla dessa begränsningar och gränser. Och längre djupare i diagrammet hittar vi ytterligare begränsningar för många olika individuella pulslängder. Och dessa linjer inuti grafen kunde bestämmas antingen genom beräkningar eller fysiska mätningar.

I tidigare och äldre datablad uppskattades dessa parametrar med beräknade värden.

Det rekommenderas dock normalt att dessa parametrar praktiskt mäts. Om du bedömer dem med hjälp av formler kan du sluta få hypotetiska värden som bokstavligen kan vara mycket större än vad FET kan tåla i verklig applikation. Eller kanske kan du reducera (överkompensera) parametrarna till en nivå som kan vara alltför dämpad, i förhållande till vad FET faktiskt kan hantera.

Så i våra följande diskussioner lär vi oss SOA-parametrarna som utvärderas med verkliga praktiska metoder och inte med formler eller simuleringar.

Låt oss börja med att förstå vad som är mättnadsläge och linjärt läge i FET.

Linjärt läge mot mättnadsläge

Med hänvisning till ovanstående diagram definieras linjärt läge som den region i vilken RDS (på) eller avloppskällans motstånd hos FET är konsekvent.

Detta innebär att strömmen som passerar genom FET är direkt proportionell mot avlopp-till-källans förspänning genom FET. Det är också känt som den ohmska regionen, eftersom FET i huvudsak verkar liknande ett fast motstånd.

Om vi ​​nu börjar öka avloppskällans förspänning till FET, hittar vi så småningom FET som arbetar i en region som kallas mättningsregionen. När MOSFET-operationen tvingas in i mättnadsregionen svarar strömmen (förstärkare) som rör sig via MOSFET över avloppet till källan inte längre på förspänning av avlopp-till-källa.

Därför, oavsett hur mycket du ökar dräneringsspänningen, fortsätter denna FET att överföra en fast maximal strömnivå genom den.

Det enda sättet genom vilket du kan manipulera strömmen är vanligtvis genom att variera spänningen från port till källa.

Denna situation verkar dock vara lite förbryllande, eftersom det i allmänhet är dina läroboksbeskrivningar av linjär och mättnadsregion. Tidigare fick vi veta att denna parameter ofta kallas den ohmiska regionen. Ändå nämner några människor detta som den linjära regionen. Kanske är tankesättet, ja, det här ser ut som en rak linje, så det måste vara linjärt?

Om du märker att folk diskuterar hot-swap-applikationer kommer de att uttrycka, ja, jag jobbar i en linjär region. Men det är i grunden tekniskt olämpligt.

Förstå MOSFET SOA

Nu eftersom vi vet vad en FET-mättnadsregion är kan vi nu granska vår SOA-graf i detalj. SOA kan delas upp i 5 individuella begränsningar. Låt oss lära oss exakt vad de är.

RDS (på) Begränsning

Den första raden i grafen som är grå i färg representerar FDS: s begränsning (på). Och detta är regionen som effektivt begränsar den maximala strömmen genom FET på grund av enhetens motstånd.

Med andra ord indikerar det den högsta motståndskraften hos MOSFET som kan existera vid den maximalt acceptabla övergångstemperaturen för MOSFET.

Vi observerar att denna grå linje har en positiv konstant lutning av enhet, helt enkelt för att varje punkt inom denna linje har en identisk mängd ON-motstånd, i enlighet med Ohms lag, som säger att R är lika med V dividerat med I.

Nuvarande begränsning

Nästa begränsningsrad i SOA-grafen representerar den aktuella begränsningen. Ovan i diagrammet kan de olika pulsvärdena som anges med de blå, gröna, violetta linjerna ses, begränsade till 400 ampere av den övre horisontella svarta linjen.

Den korta horisontella delen av den RÖDA linjen indikerar enhetens paketgräns, eller FET: s kontinuerliga strömgräns (DC), vid cirka 200 ampere.

Maximal effektbegränsning

Den tredje SOA-begränsningen är den maximala effektbegränsningslinjen för MOSFET, representerad av den orange sluttande linjen.

Som vi märker har denna linje en konstant lutning men en negativ. Den är konstant eftersom varje punkt på denna SOA-effektgränslinje har samma konstanta effekt, representerad av formeln P = IV.

Därför genererar detta i denna SOA-logaritmiska kurva en lutning på -1. Det negativa tecknet beror på att strömflödet genom MOSFET här minskar när avloppskällans spänning ökar.

Detta fenomen beror främst på de negativa koefficientegenskaperna hos MOSFET som begränsar strömmen genom anordningen när dess övergångstemperatur ökar.

Begränsning av termisk instabilitet

Därefter indikeras den fjärde MOSFET-begränsningen över sitt säkra arbetsområde med den gula sluttande linjen, som representerar den termiska instabilitetsbegränsningen.

Det är över denna region i SOA som blir väldigt viktigt för att faktiskt mäta enhetens driftkapacitet. Detta beror på att denna termiska instabilitetsregion inte kan förutsägas på något korrekt sätt.

Därför behöver vi praktiskt taget analysera MOSFET i detta område för att ta reda på var FET kan misslyckas, och exakt vilken funktionsförmåga för den specifika enheten?

Således kan vi se just nu, om vi skulle ta den maximala effektbegränsningen och förlänga den hela vägen ner längst ner på den gula linjen, vad hittar vi plötsligt?

Vi finner att MOSFET-felbegränsningen landar på den mycket låga nivån, vilket är mycket lägre i värde jämfört med den maximala effektbegränsningsregionen som marknadsförs på databladet (representerad av den orange lutningen).

Eller antag att vi råkar vara för mycket konservativa och berätta för folket att, hej se, den nedre delen av den gula linjen är faktiskt vad FET kan hantera max. Vi kan vara på den säkraste sidan med denna deklaration, men då kan vi ha överkompenserat enhetens effektbegränsningsförmåga, vilket kanske inte är rimligt, eller hur?

Det är exakt varför denna termiska instabilitetsregion inte kan bestämmas eller hävdas med formler utan måste testas faktiskt.

Spänningsbegränsning för nedbrytning

Den femte begränsningsregionen i SOA-grafen är nedbrytningsspänningsbegränsningen, representerad av den svarta vertikala linjen. Vilket bara är den maximala kapaciteten för hantering av avloppskällan för FET.

Enligt diagrammet har enheten en 100-volts BVDSS, vilket förklarar varför denna svarta vertikala linje verkställs vid 100 volt Drain-Source-märke.

Det vore intressant att undersöka den tidigare uppfattningen om termisk instabilitet lite mer. För att uppnå detta måste vi beskriva en fras som kallas 'temperaturkoefficient'.

MOSFET Temperaturkoefficient

MOSFET-temperaturkoefficienten kan definieras som strömförändringen jämfört med MOSFET: s övergångstemperatur.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Därför, när vi undersöker överföringskaraktäristiken för en MOSFET i dess datablad, hittar vi avlopps-till-källströmmen för FET jämfört med den ökande gate-to-source-spänningen för FET, vi finner också att dessa egenskaper utvärderas vid olika temperaturintervall.

Noll temperaturkoefficient (ZTC)

Om vi ​​tittar på den punkt som representeras med den orange cirkeln är det vad vi skulle ange som noll temperaturkoefficient för MOSFET .

Vid denna tidpunkt producerar ingen förbättring av den aktuella överföringen genom FET även om enhetens övergångstemperatur fortsätter att öka.

∂Jag_D/ ∂T_j = 0 , var Jag_D är avloppsströmmen för MOSFET, T_j representerar enhetens övergångstemperatur

Om vi ​​tittar på regionen över denna noll temperaturkoefficient (orange cirkel), när vi rör oss från minus -55 till 125 grader Celsius, börjar strömmen genom FET faktiskt sjunka.

∂Jag_D/ ∂T_j <0

Denna situation är vägledande att MOSFET verkligen blir varmare, men strömmen som släpps ut genom enheten blir lägre. Detta innebär att det faktiskt inte finns någon risk för instabilitet för enheten, och överhettning av enheten kan vara tillåten, och till skillnad från BJTs finns det möjligen ingen risk för en termisk runaway-situation.

Men vid strömmar i området under noll temperaturkoefficienten (orange cirkel) märker vi trenden, där en ökning av enhetens temperatur, det vill säga över de negativa -55 till 125 grader, orsakar den aktuella överföringskapaciteten på att enheten faktiskt ökar.

∂Jag_D/ ∂T_j > 0

Detta händer på grund av det faktum att temperaturkoefficienten för MOSFET är vid dessa punkter högre än noll. Men å andra sidan orsakar en ökning av strömmen genom MOSFET en proportionell ökning av MOSFET: s RDS (på) (avloppskällmotstånd) och orsakar också en proportionell ökning av enhetens kroppstemperatur, vilket leder till ytterligare ström överföring via enheten. När MOSFET kommer in i denna region med en positiv återkopplingsslinga kan den utveckla en instabilitet i MOSFET-beteendet.

Ingen kan dock säga om ovanstående situation kan hända eller inte, och det finns ingen enkel design för prognoser när denna typ av instabilitet kan uppstå inom MOSFET.

Detta beror på att det kan finnas många parametrar inblandade i MOSFET beroende på dess celltäthetsstruktur eller paketets flexibilitet för att sprida värmen jämnt genom hela MOSFET-kroppen.

På grund av dessa osäkerhetsfaktorer måste faktorer som termisk runaway eller någon termisk instabilitet i de angivna regionerna bekräftas för varje enskild MOSFET. Nej, dessa attribut hos MOSFET kan inte gissas helt enkelt genom att tillämpa den maximala effektförlustekvationen.

Varför SOA är så avgörande

SOA-siffrorna kan vara kritiskt användbara i MOSFET-applikationer där enheten ofta används i mättnadsregionerna.

Det är också användbart i hot-swap eller Oring-controllerapplikationer, där det blir avgörande att veta exakt hur mycket kraft MOSFET kommer att kunna tolerera, genom att hänvisa till deras SOA-diagram.

Praktiskt taget kommer du att upptäcka att MOSFET-säkra arbetsområdesvärden tenderar att vara mycket användbara för de flesta konsumenter som arbetar med motorstyrning, växelriktare / omvandlare eller SMPS-produkter, där enheten vanligtvis används under extrema temperaturer eller överbelastningsförhållanden.

Källor: MOSFET-utbildning , Säker arbetsplats