Forstå MOSFET Safe Operating Area eller SOA

Hvis du lurer på eller er bekymret for nøyaktig hvor mye strøm MOSFET tåler under ekstreme forhold, eller under ekstreme dissipative situasjoner, så er SOA-tallene på enheten akkurat det du bør se på.

I dette innlegget vil vi diskutere det sikre driftsområdet, eller SOA, slik det vises i MOSFET-databladet.

Følgende er det MOSFET trygge operasjonsområdet eller SOA-grafen som normalt ses i alle Texas Instruments dataark.

MOSFET SOA er beskrevet som størrelsen som spesifiserer maksimal effekt FET kan håndtere mens den opererer i metningsområdet.

Det forstørrede glimtet av SOA-grafen kan sees i neste bilde nedenfor.

I SOA-grafen ovenfor kan vi se alle disse begrensningene og grensene. Og lenger dypere i grafen finner vi ytterligere begrensninger for mange forskjellige individuelle pulsvarigheter. Og disse linjene inne i grafen kan bestemmes enten gjennom beregninger eller fysiske målinger.

I tidligere og eldre datablad ble disse parametrene estimert med beregnede verdier.

Imidlertid anbefales det vanligvis at disse parametrene måles praktisk. Hvis du vurderer dem ved hjelp av formler, kan du ende opp med å få hypotetiske verdier som bokstavelig talt kan være mye større enn FET tåler i virkelighetsapplikasjoner. Eller kanskje du kan redusere (overkompensere) parametrene til et nivå som kan være altfor dempet, i forhold til hva FET faktisk kan håndtere.

Så i våre følgende diskusjoner lærer vi SOA-parametrene som blir evaluert gjennom virkelige praktiske metoder og ikke ved formler eller simuleringer.

La oss begynne med å forstå hva som er metningsmodus og lineær modus i FET.

Lineær modus vs metningsmodus

Med henvisning til grafen ovenfor er lineær modus definert som regionen der RDS (på) eller avløpskildemotstanden til FET er konsistent.

Dette betyr at strømmen som går gjennom FET er direkte proporsjonal med forløpet til kilde-forspenningen gjennom FET. Det er også ofte kjent som den ohmske regionen, siden FET i det vesentlige virker på samme måte som en fast motstand.

Nå, hvis vi begynner å øke dreneringskildens forspenning til FET, finner vi til slutt FET som opererer i et område kjent som metningsområdet. Når MOSFET-operasjonen er tvunget inn i metningsområdet, vil ikke strømmen (ampere) som beveger seg via MOSFET over avløpet til kilden, lenger reagere på forspenningen til avløp til kilde.

Derfor, uavhengig av hvor mye du øker avløpsspenningen, fortsetter denne FET å overføre et fast maksimalt strømnivå gjennom den.

Den eneste måten du er i stand til å manipulere strømmen på, er vanligvis ved å variere gate-til-kildespenningen.

Imidlertid ser denne situasjonen ut til å være litt forvirrende, siden dette generelt er lærebokbeskrivelsene dine for lineær og metningsregion. Tidligere har vi lært at denne parameteren ofte blir referert til som den ohmske regionen. Likevel kaller noen få mennesker dette som den lineære regionen. Kanskje tankegangen er, vel, dette ser ut som en rett linje, så den må være lineær?

Hvis du merker folk som diskuterer hot-swap-applikasjoner, kommer de til å uttrykke, vel, jeg jobber i en lineær region. Men det er i det vesentlige teknologisk upassende.

Forstå MOSFET SOA

Nå som vi vet hva en FET-metningsregion er, kan vi nå gå gjennom SOA-grafen vår i detalj. SOA kan deles inn i 5 individuelle begrensninger. La oss lære hva de egentlig er.

RDS (på) Begrensning

Den første linjen i grafen som er grå i fargen, representerer RDS (på) begrensningen av FET. Og dette er regionen som effektivt begrenser den maksimale strømmen gjennom FET på grunn av enhetens motstand.

Med andre ord indikerer det den høyeste motstanden til MOSFET som kan eksistere ved den maksimalt tålelige krysningstemperaturen til MOSFET.

Vi observerer at denne grå linjen har en positiv konstant helling av enhet, rett og slett fordi hvert punkt innenfor denne linjen har en identisk mengde ON-motstand, i samsvar med Ohms lov, som sier R er lik V delt på I.

Nåværende begrensning

Den neste begrensningslinjen i SOA-grafen representerer den nåværende begrensningen. Oppe på grafen kan de forskjellige pulsverdiene som er angitt med de blå, grønne, fiolette linjene ses, begrenset til 400 ampere av den øvre horisontale svarte linjen.

Den korte horisontale delen av den RØDE linjen indikerer pakkens grense for enheten, eller den kontinuerlige strømgrensen (DC) til FET, på rundt 200 ampere.

Maksimal effektbegrensning

Den tredje SOA-begrensningen er den maksimale effektbegrensningslinjen til MOSFET, representert av den oransje skrånende linjen.

Når vi merker, har denne linjen en konstant skråning, men en negativ. Det er konstant siden hvert punkt på denne SOA-kraftgrenselinjen har samme konstante kraft, representert med formelen P = IV.

Derfor genererer dette i denne SOA logaritmiske kurven en skråning på -1. Det negative tegnet skyldes at strømmen gjennom MOSFET her synker når avløpskildespenningen øker.

Dette fenomenet skyldes primært de negative koeffisientegenskapene til MOSFET som begrenser strøm gjennom enheten når dens krysningstemperatur øker.

Termisk ustabilitetsbegrensning

Deretter indikeres den fjerde MOSFET-begrensningen over sitt sikre driftsområde med den gule skrånende linjen, som representerer den termiske ustabilitetsbegrensningen.

Det er over denne regionen av SOA som blir veldig viktig for å faktisk måle enhetens driftskapasitet. Dette er fordi denne termiske ustabilitetsregionen ikke kan forutsies på noen riktig måte.

Derfor trenger vi praktisk talt å analysere MOSFET i dette området for å finne ut hvor FET kan mislykkes, og nøyaktig hva arbeidsfunksjonen til den spesifikke enheten er?

Dermed kan vi se akkurat nå, hvis vi skulle ta denne maksimale effektbegrensningen og utvide den helt ned på bunnen av den gule linjen, hva finner vi da plutselig?

Vi finner at MOSFET-sviktbegrensningen lander på veldig lavt nivå, som er mye lavere i verdi sammenlignet med den maksimale effektbegrensningsregionen som fremmes på databladet (representert med den oransje skråningen).

Eller anta at vi tilfeldigvis er for mye konservative, og fortell folket at, hei, det nederste området av den gule linjen er faktisk det FET kan takle maksimalt. Vel, vi kan være på den tryggeste siden med denne erklæringen, men da har vi kanskje overkompensert kapasitetsbegrensningen på enheten, noe som kanskje ikke er rimelig, ikke sant?

Det er nettopp derfor denne termiske ustabilitetsregionen ikke kan bestemmes eller hevdes med formler, men må faktisk testes.

Begrensning av sammenbruddsspenning

Den femte begrensningsregionen i SOA-grafen er spenningsbegrensningen for sammenbrudd, representert av den svarte vertikale linjen. Som bare er FETs maksimale kapasitet for håndtering av avløpsspenning.

I henhold til grafen har enheten en 100-volts BVDSS, som forklarer hvorfor denne svarte vertikale linjen håndheves med 100 volt avløpskildemarkering.

Det ville være interessant å undersøke den tidligere forestillingen om termisk ustabilitet litt mer. For å oppnå dette må vi skissere et uttrykk som kalles 'temperaturkoeffisient'.

MOSFET Temperaturkoeffisient

MOSFET temperaturkoeffisient kan defineres som endring i strøm over endring i krysningstemperatur for MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Derfor når vi undersøker overføringskarakteristikken til en MOSFET i databladet, finner vi avløps-til-kildestrømmen til FET versus den økende gate-til-kildespenningen til FET, finner vi også at disse egenskapene blir evaluert ved 3 forskjellige temperaturområder.

Null temperaturkoeffisient (ZTC)

Hvis vi ser på punktet representert med den oransje sirkelen, er dette det vi vil indikere som null temperaturkoeffisient for MOSFET .

På dette punktet, selv om koblingstemperaturen til enheten fortsetter å øke, produseres det ingen forbedring i strømoverføringen gjennom FET.

Jeg_D/ ∂T_j = 0 , hvor Jeg_D er avløpsstrømmen til MOSFET, T_j representerer enhetens krysningstemperatur

Hvis vi ser på regionen over denne null temperaturkoeffisienten (oransje sirkel), når vi beveger oss fra minus -55 til 125 grader Celsius, begynner faktisk strømmen gjennom FET å synke.

Jeg_D/ ∂T_j <0

Denne situasjonen er indikativ for at MOSFET virkelig blir varmere, men strømmen som ledes gjennom enheten blir lavere. Dette innebærer at det faktisk ikke er noen fare for ustabilitet for enheten, og overoppheting kan være tillatt, og i motsetning til BJT er det muligens ingen risiko for en termisk rømningssituasjon.

Imidlertid, ved strømmer i regionen under null temperaturkoeffisienten (oransje sirkel), merker vi trenden, hvor en økning i temperaturen til enheten, det vil si over de negative -55 til 125 grader, forårsaker den nåværende overføringskapasiteten på at enheten faktisk øker.

Jeg_D/ ∂T_j > 0

Dette skjer på grunn av det faktum at temperaturkoeffisienten til MOSFET er på disse punktene høyere enn null. Men på den annen side, en økning i strøm gjennom MOSFET, forårsaker en proporsjonal økning i MOSFETs RDS (on) (avløpskildemotstand) og forårsaker også en proporsjonal økning i kroppstemperaturen til enheten gradvis, noe som fører til ytterligere strøm overføring gjennom enheten. Når MOSFET kommer inn i denne regionen av en positiv tilbakemeldingssløyfe, kan den utvikle en ustabilitet i MOSFET-oppførselen.

Imidlertid kan ingen fortelle om ovennevnte situasjon kan skje eller ikke, og det er ingen enkel utforming for prognoser når denne typen ustabilitet kan oppstå i MOSFET.

Dette er fordi det kan være mange parametere involvert i MOSFET, avhengig av selve celletetthetsstrukturen, eller fleksibiliteten til pakken for å spre varmen jevnt gjennom hele MOSFET-kroppen.

På grunn av denne usikkerheten må faktorer som termisk rømling eller termisk ustabilitet i de angitte områdene bekreftes for hver spesielle MOSFET. Nei, disse egenskapene til MOSFET kan ikke gjettes ved å bruke maksimal effekttapligning.

Hvorfor SOA er så avgjørende

SOA-tallene kan være kritisk nyttige i MOSFET-applikasjoner der enheten ofte brukes i metningsregionene.

Det er også nyttig i hot-swap eller Oring-kontrollapplikasjoner, hvor det blir viktig å vite nøyaktig hvor mye strøm MOSFET vil være i stand til å tåle, ved å referere til deres SOA-diagrammer.

Praktisk sett vil du oppdage at MOSFET-sikre verdier for driftsområdet har en tendens til å være veldig nyttige for de fleste forbrukere som arbeider med motorstyring, inverter / omformer eller SMPS-produkter, der enheten vanligvis brukes under ekstreme temperatur- eller overbelastningsforhold.

Kilder: MOSFET trening , Trygt driftsområde