Înțelegerea zonei de operare sigure MOSFET sau SOA

Dacă vă întrebați sau vă faceți griji cu privire la puterea pe care MOSFET-ul dvs. o poate tolera în condiții extreme sau în situații extreme de disipare, atunci cifrele SOA ale dispozitivului sunt exact ceea ce ar trebui să vă uitați.

În acest post vom discuta în mod cuprinzător zona de operare sigură sau SOA, așa cum apare în fișa tehnică MOSFET.

Următoarea este zona de operare sigură MOSFET sau graficul SOA care este văzut în mod normal în toate Texas Instruments foi de date.

MOSFET SOA este descris ca magnitudinea care specifică puterea maximă pe care FET o poate suporta în timp ce funcționează în regiunea de saturație.

Vederea mărită a graficului SOA poate fi văzută în următoarea imagine de mai jos.

În graficul SOA de mai sus putem vedea toate aceste limitări și limite. Și mai adânc în grafic, găsim limitări suplimentare pentru durata diferită a impulsului individual. Și aceste linii din interiorul graficului, ar putea fi determinate fie prin calcule, fie prin măsurători fizice.

În fișele tehnice anterioare și mai vechi, acești parametri au fost estimate cu valori calculate.

Cu toate acestea, se recomandă în mod normal ca acești parametri să fie măsurați practic. Dacă le evaluați folosind formule, ați putea ajunge să obțineți valori ipotetice care pot fi literalmente mult mai mari decât FET poate tolera în aplicația din lumea reală. Sau, poate, puteți reduce (supracompensa) parametrii la un nivel care poate fi mult prea redus, în raport cu ceea ce FET se poate ocupa de fapt.

Așadar, în următoarele discuții, învățăm parametrii SOA care sunt evaluați prin metode practice reale și nu prin formule sau simulări.

Să începem prin a înțelege ce este modul de saturație și modul liniar în FET-uri.

Mod liniar vs Mod saturație

Referindu-ne la graficul de mai sus, modul liniar este definit ca regiunea în care RDS (pornit) sau rezistența sursei de scurgere a FET sunt consistente.

Aceasta înseamnă că curentul care trece prin FET este direct proporțional cu distorsiunea de scurgere la sursă prin FET. Este, de asemenea, adesea cunoscută sub numele de regiune ohmică, deoarece FET acționează în esență similar cu un rezistor fix.

Acum, dacă începem să creștem tensiunea de polarizare a sursei de scurgere la FET, vom găsi în cele din urmă FET funcționând într-o regiune cunoscută sub numele de regiune de saturație. Odată ce operația MOSFET este forțată în regiunea de saturație, curentul (amperi) care se deplasează prin intermediul MOSFET peste canalul de scurgere la sursă nu mai răspunde la creșterea tensiunii de polarizare de la scurgere la sursă.

Prin urmare, indiferent de cât creșteți tensiunea de scurgere, acest FET continuă să transfere un nivel maxim fix de curent prin el.

Singura modalitate prin care puteți manipula curentul este, de obicei, modificând tensiunea de la poartă la sursă.

Cu toate acestea, această situație pare a fi ușor nedumeritoare, deoarece acestea sunt, în general, descrierile manuale ale regiunii liniare și de saturație. Anterior am aflat că acest parametru este denumit destul de des regiunea ohmică. Cu toate acestea, câțiva oameni numesc acest lucru drept regiunea liniară. Poate că mentalitatea este, bine, aceasta arată ca o linie dreaptă, deci trebuie să fie liniară?

Dacă observați că oamenii discută despre aplicații de swap la cald, vor exprima, ei bine, lucrez într-o regiune liniară. Dar acest lucru este esențial din punct de vedere tehnologic.

Înțelegerea MOSFET SOA

Acum, din moment ce știm ce este o regiune de saturație FET, putem revedea în detaliu graficul nostru SOA. SOA ar putea fi împărțit în 5 limitări individuale. Să învățăm ce anume sunt.

RDS (activat) Limitare

Prima linie din grafic, de culoare gri, reprezintă limitarea RDS (pornită) a FET. Și aceasta este regiunea care limitează efectiv cantitatea maximă de curent prin FET din cauza rezistenței la dispozitiv.

Cu alte cuvinte, indică cea mai mare rezistență a MOSFET care poate exista la temperatura maximă de joncțiune tolerabilă a MOSFET.

Observăm că această linie gri are o înclinare constantă pozitivă a unității, pur și simplu pentru că fiecare punct din această linie posedă o cantitate identică de rezistență la ON, în conformitate cu legea lui Ohm, care afirmă că R este egal cu V împărțit la I.

Limitarea curentului

Următoarea linie de limitare din graficul SOA reprezintă limitarea curentă. Sus, pe grafic, se pot vedea diferitele valori ale impulsurilor indicate de liniile albastre, verzi, violete, limitate la 400 amperi de linia neagră orizontală superioară.

Secțiunea scurtă orizontală a liniei RED indică limita pachetului dispozitivului sau limita continuă de curent (DC) a FET, la aproximativ 200 amperi.

Limitarea maximă a puterii

A treia limitare SOA este linia de limitare a puterii maxime a MOSFET, reprezentată de linia înclinată portocalie.

După cum observăm, această linie are o pantă constantă, dar una negativă. Este constant, deoarece fiecare punct de pe această linie limită de putere SOA poartă aceeași putere constantă, reprezentată de formula P = IV.

Prin urmare, în această curbă logaritmică SOA, aceasta generează o pantă de -1. Semnul negativ se datorează faptului că curentul de curent prin MOSFET aici scade odată cu creșterea tensiunii sursei de scurgere.

Acest fenomen se datorează în primul rând caracteristicilor coeficientului negativ ale MOSFET, care restricționează curentul prin dispozitiv pe măsură ce temperatura de joncțiune crește.

Limitarea instabilității termice

Apoi, a patra limitare MOSFET în zona sa de operare sigură este indicată de linia galbenă înclinată, care reprezintă limitarea instabilității termice.

În această regiune a SOA devine cu adevărat crucială măsurarea capacității de operare a dispozitivului. Acest lucru se datorează faptului că această regiune de instabilitate termică nu poate fi prezisă prin nici un mijloc adecvat.

Prin urmare, trebuie practic să analizăm MOSFET în acest domeniu pentru a afla unde poate eșua FET-ul și exact care este capacitatea de lucru a dispozitivului specific?

Astfel putem vedea chiar acum, dacă ar fi să luăm această limită de putere maximă și să o extindem până la capăt în partea de jos a liniei galbene, atunci, brusc ce găsim?

Constatăm că limitarea defecțiunii MOSFET aterizează la un nivel foarte scăzut, care este mult mai redus ca valoare comparativ cu regiunea de limitare a puterii maxime promovată pe foaia tehnică (reprezentată de panta portocalie).

Sau să presupunem că suntem prea conservatori și le spunem oamenilor că, hei, uite că regiunea de jos a liniei galbene este de fapt ceea ce FET poate gestiona la maxim. Ei bine, s-ar putea să fim pe partea cea mai sigură cu această declarație, dar s-ar putea să am compensat în exces capacitatea de limitare a puterii dispozitivului, care poate să nu fie rezonabilă, nu?

Tocmai de aceea această regiune de instabilitate termică nu poate fi determinată sau revendicată cu formule, ci trebuie testată efectiv.

Limitarea tensiunii de defalcare

A cincea regiune de limitare din graficul SOA este limitarea tensiunii de defalcare, reprezentată de linia verticală neagră. Care este doar capacitatea maximă de manipulare a tensiunii de sursă de scurgere a FET.

Conform graficului, dispozitivul are un BVDSS de 100 de volți, ceea ce explică de ce această linie verticală neagră este impusă la 100 volți marca Drain-Source.

Ar fi interesant să cercetăm puțin mai mult noțiunea anterioară de instabilitate termică. Pentru a realiza acest lucru, va trebui să schițăm o expresie denumită „coeficient de temperatură”.

Coeficient de temperatură MOSFET

Coeficientul de temperatură MOSFET poate fi definit ca schimbarea curentului peste schimbarea temperaturii de joncțiune a MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Prin urmare, atunci când examinăm curba caracteristicilor de transfer ale unui MOSFET în foaia sa tehnică, găsim curentul de scurgere la sursă al FET față de tensiunea crescătoare de la poartă la sursă a FET, de asemenea, constatăm că aceste caracteristici sunt evaluate la 3 diferite intervale de temperatură.

Coeficient de temperatură zero (ZTC)

Dacă ne uităm la punctul reprezentat cu cercul portocaliu, acesta este ceea ce am indica ca fiind coeficientul de temperatură zero al MOSFET .

În acest moment, chiar dacă temperatura de joncțiune a dispozitivului crește continuu nu produce nicio îmbunătățire a transferului curent prin FET.

∂I_D/ ∂T_j = 0 , Unde Eu_D este curentul de scurgere al MOSFET-ului, T_j reprezintă temperatura de joncțiune a dispozitivului

Dacă ne uităm la regiune peste acest coeficient de temperatură zero (cerc portocaliu), pe măsură ce trecem de la negativ -55 la 125 de grade Celsius, curentul prin FET începe de fapt să scadă.

∂I_D/ ∂T_j <0

Această situație indică faptul că MOSFET-ul devine cu adevărat mai fierbinte, dar puterea disipată prin dispozitiv este tot mai mică. Acest lucru implică faptul că nu există de fapt niciun pericol de instabilitate pentru dispozitiv, iar supraîncălzirea dispozitivului poate fi permisă și, spre deosebire de BJT-uri, nu există, probabil, niciun risc de situație termică de fugă.

Cu toate acestea, la curenții din regiune sub coeficientul de temperatură zero (cerc portocaliu), observăm tendința, unde o creștere a temperaturii dispozitivului, adică peste negativ -55 până la 125 de grade, determină capacitatea de transfer curentă a dispozitivul să crească efectiv.

∂I_D/ ∂T_j > 0

Acest lucru se întâmplă datorită faptului că coeficientul de temperatură al MOSFET este în aceste puncte mai mare decât zero. Dar, pe de altă parte, o creștere a curentului prin MOSFET, determină o creștere proporțională a RDS a MOSFET (pornit) (rezistență la sursa de scurgere) și provoacă, de asemenea, o creștere proporțională a temperaturii corpului a dispozitivului progresiv, ducând la curent suplimentar transfer prin dispozitiv. Când MOSFET intră în această regiune a unei bucle de feedback pozitiv, poate dezvolta o instabilitate în comportamentul MOSFET.

Cu toate acestea, nimeni nu poate spune dacă situația de mai sus s-ar putea întâmpla sau nu și nu există un design ușor de prognozat când ar putea apărea acest tip de instabilitate în cadrul MOSFET.

Acest lucru se datorează faptului că pot exista o mulțime de parametri implicați în MOSFET în funcție de structura densității celulare în sine sau de flexibilitatea pachetului pentru a disipa căldura uniform prin tot corpul MOSFET.

Datorită acestor incertitudini, factori precum fuga termică sau orice instabilitate termică în regiunile indicate trebuie confirmate pentru fiecare MOSFET particular. Nu, aceste atribute ale MOSFET nu pot fi ghicite pur și simplu prin aplicarea ecuației pierderii de putere maximă.

De ce SOA este atât de crucial

Cifrele SOA pot fi extrem de utile în aplicațiile MOSFET în care dispozitivul este operat frecvent în regiunile de saturație.

De asemenea, este util în swap la cald sau aplicații de controlor Oring, unde devine crucial să știm exact câtă putere va putea tolera MOSFET, referindu-se la diagramele lor SOA.

Practic veți găsi că valorile zonei de operare sigure MOSFET tind să fie foarte utile pentru majoritatea consumatorilor care se ocupă de controlul motorului, invertor / convertor sau produse SMPS, unde dispozitivul este de obicei operat în condiții extreme de temperatură sau supraîncărcare.

Surse: Antrenament MOSFET , Zona de operare sigură