Inzicht in MOSFET Safe Operating Area of ​​SOA

Als u zich afvraagt ​​of zich zorgen maakt over hoeveel stroom uw MOSFET precies kan verdragen onder extreme omstandigheden of onder extreme dissipatieve situaties, dan zijn de SOA-cijfers van het apparaat precies wat u zou moeten bekijken.

In dit bericht zullen we uitgebreid ingaan op de Safe Operating Area, of de SOA, zoals deze wordt weergegeven in de MOSFET-datasheet.

Het volgende is het veilige werkgebied van de MOSFET of de SOA-grafiek die normaal gesproken overal te zien is Texas Instrumenten datasheets.

MOSFET SOA wordt beschreven als de grootte die het maximale vermogen aangeeft dat de FET kan verwerken terwijl deze in het verzadigingsgebied werkt.

De vergrote glimp van de SOA-grafiek is te zien in de volgende afbeelding hieronder.

In de bovenstaande SOA-grafiek kunnen we al deze beperkingen en grenzen zien. En verder dieper in de grafiek vinden we aanvullende beperkingen voor veel verschillende individuele pulsduur. En deze lijnen in de grafiek kunnen worden bepaald door berekeningen of fysieke metingen.

In eerdere en oudere datasheets werden deze parameters geschat met berekende waarden.

Het wordt echter normaal gesproken aanbevolen om deze parameters praktisch te meten. Als je ze beoordeelt met behulp van formules, zou je hypothetische waarden kunnen krijgen die letterlijk veel groter kunnen zijn dan de FET kan verdragen in echte toepassingen. Of misschien kunt u de parameters verlagen (overcompenseren) tot een niveau dat misschien veel te ingetogen is, in verhouding tot waar de FET werkelijk mee om kan gaan.

Dus in onze volgende besprekingen leren we de SOA-parameters die worden geëvalueerd door middel van echte praktische methoden en niet door formules of simulaties.

Laten we beginnen met te begrijpen wat de verzadigingsmodus en lineaire modus is in FET's.

Lineaire modus versus verzadigingsmodus

Verwijzend naar de bovenstaande grafiek wordt lineaire modus gedefinieerd als het gebied waarin de RDS (aan) of de afvoerbronweerstand van de FET consistent is.

Dit betekent dat de stroom die door de FET gaat, recht evenredig is met de drain-to-source bias door de FET. Het is ook vaak bekend als het ohmse gebied, omdat de FET in wezen op dezelfde manier werkt als een vaste weerstand.

Als we nu beginnen met het verhogen van de drain-source bias-spanning naar de FET, vinden we uiteindelijk dat de FET in een gebied werkt dat bekend staat als het verzadigingsgebied. Zodra de MOSFET-bewerking in het verzadigingsgebied wordt gedwongen, reageert de stroom (ampère) die via de MOSFET over de afvoer naar de bron beweegt niet langer op de toename van de voorspanning van de afvoer naar de bron.

Dus ongeacht hoeveel u de afvoerspanning verhoogt, blijft deze FET er een vast maximaal stroomniveau doorheen sturen.

De enige manier waarop u de stroom kunt manipuleren, is meestal door de gate-to-source-spanning te variëren.

Deze situatie lijkt echter enigszins verwarrend te zijn, aangezien dit over het algemeen uw handboekbeschrijvingen zijn van het lineaire en verzadigingsgebied. Eerder hebben we geleerd dat deze parameter vrij vaak het ohmse gebied wordt genoemd. Niettemin noemen een paar mensen dit eigenlijk de lineaire regio. Misschien is de mindset, nou ja, dit ziet eruit als een rechte lijn, dus het moet lineair zijn?

Als je merkt dat mensen hot-swap-applicaties bespreken, zullen ze zeggen dat ik in een lineaire regio werk. Maar dat is in wezen technologisch ongepast.

MOSFET SOA begrijpen

Nu we weten wat een FET-verzadigingsgebied is, kunnen we nu onze SOA-grafiek in detail bekijken. De SOA kan worden onderverdeeld in 5 individuele beperkingen. Laten we eens kijken wat ze precies zijn.

RDS (aan) Beperking

De eerste lijn in de grafiek die grijs van kleur is, geeft de RDS (aan) beperking van de FET weer. En dit is het gebied dat effectief de maximale hoeveelheid stroom door de FET beperkt vanwege de aan-weerstand van het apparaat.

Met andere woorden, het geeft de hoogste weerstand van de MOSFET aan die kan bestaan ​​bij de maximaal toelaatbare junctietemperatuur van de MOSFET.

We zien dat deze grijze lijn een positieve constante helling van eenheid heeft, simpelweg omdat elk punt binnen deze lijn een identieke hoeveelheid ON-weerstand heeft, in overeenstemming met de wet van Ohm, die stelt dat R gelijk is aan V gedeeld door I.

Huidige beperking

De volgende beperkingslijn in de SOA-grafiek vertegenwoordigt de huidige beperking. Boven in de grafiek zijn de verschillende pulswaarden te zien die worden aangegeven door de blauwe, groene en violette lijnen, begrensd op 400 ampère door de bovenste horizontale zwarte lijn.

Het korte horizontale gedeelte van de RODE lijn geeft de pakketlimiet van het apparaat aan, of de continue stroomlimiet (DC) van de FET, op ongeveer 200 ampère.

Maximale vermogensbeperking

De derde SOA-beperking is de maximale vermogensbeperkingslijn van de MOSFET, weergegeven door de oranje hellende lijn.

Zoals we zien heeft deze lijn een constante maar een negatieve helling. Het is constant omdat elk punt op deze SOA-vermogenslimietlijn hetzelfde constante vermogen heeft, weergegeven door de formule P = IV.

Daarom genereert dit in deze SOA-logaritmische curve een helling van -1. Het minteken is te wijten aan het feit dat de stroom die door de MOSFET vloeit hier afneemt naarmate de drain-source-spanning toeneemt.

Dit fenomeen is voornamelijk te wijten aan de negatieve coëfficiëntkenmerken van de MOSFET, die de stroom door het apparaat beperkt naarmate de junctietemperatuur stijgt.

Beperking van thermische instabiliteit

Vervolgens wordt de vierde MOSFET-beperking in zijn veilige werkgebied aangegeven door de gele schuine lijn, die de beperking van thermische instabiliteit vertegenwoordigt.

Het is in deze regio van de SOA dat echt cruciaal wordt om de operationele capaciteit van het apparaat daadwerkelijk te meten. Dit komt doordat dit thermische instabiliteitsgebied niet op een geschikte manier kan worden voorspeld.

Daarom moeten we praktisch de MOSFET op dit gebied analyseren om erachter te komen waar de FET kan falen en wat precies de werkcapaciteit van het specifieke apparaat is?

Dus kunnen we nu zien, als we deze beperking van het maximale vermogen zouden nemen en deze helemaal naar beneden zouden verlengen onder aan de gele lijn, wat we dan plotseling vinden?

We vinden dat de MOSFET-uitvalbeperking op het zeer lage niveau belandt, dat veel lager in waarde is in vergelijking met het maximale vermogensbeperkingsgebied dat op het gegevensblad wordt gepromoot (weergegeven door de oranje helling).

Of stel dat we toevallig te conservatief zijn en de mensen vertellen dat, hé, kijk, het onderste deel van de gele lijn is eigenlijk wat de FET maximaal aankan. Welnu, we zijn misschien aan de veiligste kant met deze verklaring, maar dan hebben we misschien de stroombeperkende capaciteit van het apparaat overgecompenseerd, wat misschien niet redelijk is, toch?

Dat is precies waarom dit thermische instabiliteitsgebied niet met formules kan worden bepaald of geclaimd, maar daadwerkelijk moet worden getest.

Beperking van de doorslagspanning

Het vijfde beperkingsgebied in de SOA-grafiek is de doorslagspanningsbeperking, weergegeven door de zwarte verticale lijn. Dat is slechts de maximale afhandelingscapaciteit van de afvoerbron-spanning van de FET.

Volgens de grafiek heeft het apparaat een 100-volt BVDSS, wat verklaart waarom deze zwarte verticale lijn wordt afgedwongen bij 100 volt Drain-Source-markering.

Het zou interessant zijn om het eerdere idee van thermische instabiliteit wat meer te onderzoeken. Om dit te bereiken, moeten we een zin schetsen die 'temperatuurcoëfficiënt' wordt genoemd.

MOSFET-temperatuurcoëfficiënt

MOSFET-temperatuurcoëfficiënt kan worden gedefinieerd als de verandering in stroom ten opzichte van de verandering in junctietemperatuur van de MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Daarom, wanneer we de overdrachtskarakteristiekencurve van een MOSFET in zijn datasheet bekijken, vinden we de afvoer-naar-bronstroom van de FET versus de toenemende gate-to-source-spanning van de FET, we vinden ook dat deze kenmerken worden geëvalueerd op 3 verschillende temperatuurbereiken.

Nul temperatuurcoëfficiënt (ZTC)

Als we kijken naar het punt dat wordt weergegeven met de oranje cirkel, is dit wat we zouden aangeven als de nul temperatuurcoëfficiënt van de MOSFET ​

Zelfs als de junctietemperatuur van het apparaat op dit punt blijft stijgen, levert dit geen verbetering op in de stroomoverdracht door de FET.

∂I_D/ ∂T_j = 0 , waar ik_D is de afvoerstroom van de MOSFET, T_j vertegenwoordigt de junctietemperatuur van het apparaat

Als we kijken naar het gebied boven deze temperatuurcoëfficiënt van nul (oranje cirkel), terwijl we van -55 naar 125 graden Celsius gaan, begint de stroom door de FET feitelijk te dalen.

∂I_D/ ∂T_j <0

Deze situatie is een indicatie dat de MOSFET echt heter wordt, maar dat het vermogen dat door het apparaat wordt gedissipeerd, lager wordt. Dit houdt in dat er eigenlijk geen gevaar voor instabiliteit is voor het apparaat, en dat oververhitting van het apparaat mogelijk is, en in tegenstelling tot BJT's is er mogelijk geen risico op een thermische ontsnappingssituatie.

Bij stromingen in het gebied onder de nul-temperatuurcoëfficiënt (oranje cirkel) zien we echter de trend, waarbij een toename van de temperatuur van het apparaat, dat wil zeggen over de negatieve -55 tot 125 graden, de stroomoverdrachtcapaciteit van het apparaat om daadwerkelijk te verhogen.

∂I_D/ ∂T_j > 0

Dit gebeurt vanwege het feit dat de temperatuurcoëfficiënt van de MOSFET op deze punten hoger is dan nul. Maar aan de andere kant veroorzaakt een toename van de stroom door de MOSFET een evenredige toename van de RDS van de MOSFET (aan) (afvoerbronweerstand) en veroorzaakt ook een evenredige toename van de lichaamstemperatuur van het apparaat geleidelijk, wat leidt tot verdere stroom overdracht via het apparaat. Wanneer de MOSFET in dit gebied van een positieve feedbacklus terechtkomt, kan deze een instabiliteit in het MOSFET-gedrag ontwikkelen.

Niemand kan echter zeggen of de bovenstaande situatie zich zou kunnen voordoen of niet, en er is geen eenvoudig ontwerp voor het voorspellen wanneer dit soort instabiliteit zou kunnen optreden binnen de MOSFET.

Dit komt omdat er mogelijk veel parameters bij de MOSFET betrokken zijn, afhankelijk van de celdichtheidsstructuur zelf, of de flexibiliteit van het pakket om warmte gelijkmatig door het hele MOSFET-lichaam af te voeren.

Vanwege deze onzekerheden moeten factoren zoals thermische weglopen of enige thermische instabiliteit in de aangegeven gebieden worden bevestigd voor elke specifieke MOSFET. Nee, deze kenmerken van de MOSFET kunnen niet worden geraden door simpelweg de vergelijking met het maximale vermogensverlies toe te passen.

Waarom SOA zo cruciaal is

De SOA-cijfers kunnen van cruciaal belang zijn in MOSFET-toepassingen waarbij het apparaat vaak wordt gebruikt in de verzadigingsgebieden.

Het is ook handig in hot-swap of Oring-controllertoepassingen, waar het cruciaal wordt om precies te weten hoeveel vermogen de MOSFET kan verdragen, door te verwijzen naar hun SOA-grafieken.

In de praktijk zult u merken dat de waarden van het MOSFET-veilige werkgebied over het algemeen erg nuttig zijn voor de meeste consumenten die te maken hebben met motorbesturing, omvormer / converter of SMPS-producten, waarbij het apparaat meestal wordt gebruikt bij extreme temperaturen of overbelasting.

Bronnen: MOSFET-training ​ Veilig werkgebied