MOSFETin turvallisen käyttöalueen tai SOA: n ymmärtäminen

Jos mietit tai olet huolissasi siitä, kuinka paljon tehoa MOSFETisi sietää äärimmäisissä olosuhteissa tai äärimmäisissä hajaantumistilanteissa, laitteen SOA-luvut ovat juuri niitä, joita sinun pitäisi tarkastella.

Tässä viestissä keskustelemme kattavasti turvallisesta käyttöalueesta tai SOA: sta, kuten se näkyy MOSFET-lomakkeessa.

Seuraava on MOSFET-turvallinen toiminta-alue tai SOA-kaavio, joka näkyy yleensä kaikissa Texas Instruments lomakkeet.

MOSFET SOA kuvataan suuruudeksi, joka määrittää suurimman tehon, jonka FET voi käsitellä, kun se toimii kyllästysalueella.

SOA-kaavion suurennettu välähdys näkyy seuraavassa alla olevassa kuvassa.

Yllä olevassa SOA-kaaviossa voimme nähdä kaikki nämä rajoitukset ja rajat. Ja syvemmältä kaaviosta löydämme lisärajoituksia monille erilaisille pulssin kestoille. Ja nämä kaavion sisällä olevat viivat voidaan määrittää joko laskelmilla tai fysikaalisilla mittauksilla.

Aikaisemmissa ja vanhemmissa taulukoissa nämä parametrit arvioitiin lasketuilla arvoilla.

Normaalisti suositellaan kuitenkin, että nämä parametrit mitataan käytännössä. Jos arvioit ne kaavojen avulla, saatat päätyä hypoteettisiin arvoihin, jotka voivat olla kirjaimellisesti paljon suurempia kuin FET voi sietää todellisessa maailmassa. Tai ehkä saatat vähentää (liian kompensoida) parametreja tasolle, joka voi olla aivan liian vaimeaa verrattuna siihen, mitä FET voi todella käsitellä.

Joten seuraavissa keskusteluissamme opimme SOA-parametrit, jotka arvioidaan todellisilla käytännön menetelmillä eikä kaavoilla tai simulaatioilla.

Aloitetaan ymmärtämällä, mikä on kyllästystila ja lineaarinen tila FET: issä.

Lineaarinen tila vs. kyllästystila

Viitaten yllä olevaan kaavioon, lineaarinen tila määritellään alueeksi, jossa FET: n RDS (päällä) tai tyhjennyslähteen vastus on johdonmukainen.

Tämä tarkoittaa, että FET: n läpi kulkeva virta on suoraan verrannollinen FET: n kautta tapahtuvaan tyhjennystä lähteeseen -biasiin. Se tunnetaan myös usein ohmisena alueena, koska FET toimii olennaisesti samanlaisena kuin kiinteä vastus.

Jos nyt aloitamme tyhjennyslähteen esijännitteen lisäämisen FET: ksi, lopulta löydämme FET: n toimivan alueella, joka tunnetaan kyllästysalueena. Kun MOSFET-toiminta on pakotettu kyllästysalueelle, MOSFETin kautta virtauksen kautta lähteeseen lähteelle siirtyvä virta (ampeeri) ei enää reagoi tyhjenemisestä lähteeseen -jännitteen nousuun.

Siksi riippumatta siitä, kuinka paljon nostat tyhjennysjännitettä, tämä FET siirtää kiinteän maksimivirran sen läpi.

Ainoa tapa, jolla pystyt käsittelemään virtaa, on yleensä muuttamalla portista lähteeseen -jännitettä.

Tämä tilanne näyttää kuitenkin olevan hieman hämmentävä, koska nämä ovat yleensä oppikirjojen kuvauksia lineaarisesta ja kyllästysalueesta. Aiemmin saimme tietää, että tätä parametria kutsutaan melko usein ohmiseksi alueeksi. Muutamat ihmiset kuitenkin nimeävät tämän lineaariseksi alueeksi. Ehkä ajattelutapa on, no, tämä näyttää suoralta, joten sen on oltava lineaarinen?

Jos huomaat ihmisten keskustelevan pikavaihtosovelluksista, he ilmaisevat, että työskentelen lineaarisella alueella. Mutta se on pohjimmiltaan teknisesti sopimaton.

Ymmärtäminen MOSFET SOA

Nyt kun tiedämme mikä on FET-kyllästysalue, voimme nyt tarkistaa SOA-kaavion yksityiskohtaisesti. SOA voidaan jakaa viiteen yksittäiseen rajoitukseen. Opitaan, mitä he tarkalleen ovat.

RDS (päällä) rajoitus

Kaavion ensimmäinen harmaavärinen rivi edustaa FET: n RDS (päällä) -rajoitusta. Ja tämä on alue, joka rajoittaa tehokkaasti virran enimmäismäärää FET: n kautta laitteen päällä olevan vastuksen takia.

Toisin sanoen, se osoittaa MOSFETin suurimman resistanssin, joka voi esiintyä MOSFETin suurimmalla siedetyllä liitoslämpötilalla.

Huomaamme, että tällä harmaalla viivalla on positiivinen vakio yhtenäisyyden kaltevuus yksinkertaisesti siksi, että jokaisella tämän viivan pisteellä on sama määrä ON-vastusta Ohmin lain mukaisesti, jonka mukaan R on yhtä kuin V jaettuna I: llä.

Nykyinen rajoitus

SOA-kaavion seuraava rajoitusrivi edustaa nykyistä rajoitusta. Kaaviossa ylhäällä näkyvät sinisen, vihreän, violetin viivan osoittamat erilaiset pulssiarvot, joita 400 ampeeria rajoittaa ylempi vaakasuora musta viiva.

RED-viivan lyhyt vaakasuora osa osoittaa laitteen pakettirajan tai FET: n jatkuvan virran rajan (DC) noin 200 ampeerilla.

Suurin tehorajoitus

Kolmas SOA-rajoitus on MOSFETin maksimitehon rajoituslinja, jota edustaa oranssi viisto viiva.

Huomatessamme tällä viivalla on vakio kaltevuus, mutta negatiivinen. Se on vakio, koska tämän SOA-tehorajalinjan jokaisella pisteellä on sama vakioteho, jota edustaa kaava P = IV.

Näin ollen tässä SOA-logaritmikäyrässä tämä tuottaa -1: n kaltevuuden. Negatiivinen merkki johtuu siitä, että virta MOSFETin läpi pienenee tyhjennyslähteen jännitteen kasvaessa.

Tämä ilmiö johtuu ensisijaisesti MOSFETin negatiivisista kerroinominaisuuksista, jotka rajoittavat virtaa laitteen kautta liitoslämpötilan noustessa.

Lämmön epävakauden rajoitus

Seuraavaksi neljäs MOSFET-rajoitus sen turvallisella toiminta-alueella on merkitty keltaisella kaltevalla viivalla, joka edustaa termisen epävakauden rajoitusta.

Tällä SOA-alueella on todella ratkaisevan tärkeää mitata laitteen toimintakapasiteettia. Tämä johtuu siitä, että tätä termisen epävakauden aluetta ei voida ennustaa millään asianmukaisella tavalla.

Siksi meidän on käytännössä analysoitava MOSFET tällä alueella selvittääkseen, missä FET voi epäonnistua ja mikä on tietyn laitteen toimintakyky?

Siten voimme nyt nähdä, jos ottaisimme tämän enimmäistehorajoituksen ja jatkaisimme sen kokonaan alas keltaisen viivan alareunaan, yhtäkkiä mitä löydämme?

Olemme havainneet, että MOSFET-vikarajoitus laskeutuu erittäin matalalle tasolle, mikä on paljon pienempi arvo verrattuna datalehdessä mainostettuun maksimitehon rajoitusalueeseen (jota edustaa oranssi kaltevuus).

Tai oletetaan, että satumme olemaan liian konservatiivisia, ja kerro ihmisille, että hei näyttävät keltaisen viivan pohjan alueelta, mitä FET pystyy käsittelemään enimmillään. No, voimme olla turvallisimmalla puolella tämän ilmoituksen kanssa, mutta sitten olemme saattaneet kompensoida laitteen tehonrajoitusominaisuudet liian suuresti, mikä ei ehkä ole järkevää, eikö?

Siksi tätä termisen epävakauden aluetta ei voida määrittää tai väittää kaavoilla, vaan se on testattava.

Hajoamisjännitteen rajoitus

SOA-kaavion viides rajoitusalue on rikkoutumisjännitteen rajoitus, jota edustaa musta pystyviiva. Mikä on vain FET: n suurin tyhjennyslähteen jännitteen käsittelykapasiteetti.

Kaavion mukaan laitteessa on 100 voltin BVDSS, mikä selittää, miksi tätä mustaa pystysuoraa viivaa pakotetaan 100 voltin Drain-Source -merkillä.

Olisi mielenkiintoista tutkia aikaisempaa termisen epävakauden käsitettä hieman enemmän. Tämän saavuttamiseksi meidän on hahmoteltava lause, jota kutsutaan 'lämpötilakertoimeksi'.

MOSFET-lämpötilakerroin

MOSFET-lämpötilakerroin voidaan määritellä virran muutoksena MOSFETin liitoslämpötilan muutoksesta.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Siksi kun tarkastelemme MOSFET: n siirtokäyrän käyrää sen tietolomakkeessa, löydämme FET: n tyhjennys-lähde-virran verrattuna FET: n kasvavaan portti-lähde-jännitteeseen, havaitsemme myös, että nämä ominaisuudet arvioidaan 3: lla eri lämpötila-alueet.

Nollalämpötilakerroin (ZTC)

Jos katsomme oranssilla ympyrällä esitettyä pistettä, niin ilmoitamme tämän MOSFETin lämpötilakerroin nolla .

Tässä vaiheessa, vaikka laitteen liitoslämpötila kasvaa jatkuvasti, ei paranneta virransiirtoa FET: n kautta.

Minä_D/ ∂T_j = 0 , missä Minä_D on MOSFETin tyhjennysvirta, T_j edustaa laitteen liitoslämpötilaa

Jos tarkastelemme aluetta tämän nollalämpötilakertoimen (oranssi ympyrä) yli, kun siirrymme negatiivisesta -55: stä 125: een celsiusasteeseen, virta FET: n kautta alkaa todella pudota.

Minä_D/ ∂T_j <0

Tämä tilanne on osoitus siitä, että MOSFET on todella kuumenemassa, mutta laitteen kautta hukkaantunut teho on laskemassa. Tämä tarkoittaa, että laitteelle ei todellakaan ole vaaraa epävakaudesta, ja laitteen ylikuumeneminen voi olla sallittua, ja toisin kuin BJT: llä, ei ole riskiä termisestä pakenemisesta.

Nollalämpötilakertoimen (oranssi ympyrä) alapuolella olevilla alueilla vallitsevilla virtauksilla havaitaan kuitenkin suuntaus, jossa laitteen lämpötilan nousu, toisin sanoen negatiivisen -55-125 asteen poikki, aiheuttaa laitteen todella kasvavan.

Minä_D/ ∂T_j > 0

Tämä johtuu siitä, että MOSFETin lämpötilakerroin on näissä pisteissä suurempi kuin nolla. Mutta toisaalta virran nousu MOSFETin kautta aiheuttaa suhteellisen kasvun MOSFETin RDS: ssä (päällä) (tyhjennyslähteen vastus) ja aiheuttaa myös laitteen kehon lämpötilan suhteellisen nousun asteittain, mikä johtaa edelleen virtaan siirtää laitteen kautta. Kun MOSFET pääsee tälle positiivisen palautesilmukan alueelle, se voi kehittää epävakautta MOSFET-käyttäytymisessä.

Kukaan ei kuitenkaan voi sanoa, tapahtuuko yllä oleva tilanne vai ei, eikä ennustamista ole helppoa suunnitella, milloin tällainen epävakaus saattaa syntyä MOSFETissä.

Tämä johtuu siitä, että MOSFETiin voi liittyä paljon parametreja riippuen itse sen solutiheysrakenteesta tai paketin joustavuudesta lämmön hajauttamiseksi tasaisesti koko MOSFET-rungon läpi.

Näiden epävarmuustekijöiden takia tekijät, kuten terminen pakeneminen tai mikä tahansa terminen epävakaus ilmoitetuilla alueilla, on vahvistettava jokaiselle MOSFETille. Ei, näitä MOSFET-ominaisuuksia ei voida arvata yksinkertaisesti soveltamalla suurinta tehohäviöyhtälöä.

Miksi SOA on niin tärkeä

SOA-luvut voivat olla kriittisesti hyödyllisiä MOSFET-sovelluksissa, joissa laitetta käytetään usein kyllästysalueilla.

Se on hyödyllinen myös hot swap tai Oring-ohjainsovellukset, joissa on erittäin tärkeää tietää tarkalleen, kuinka paljon tehoa MOSFET pystyy sietämään, viittaamalla heidän SOA-kaavioihinsa.

Käytännössä huomaat, että MOSFETin turvallisen toiminta-alueen arvot ovat yleensä hyödyllisiä useimmille kuluttajille, jotka käsittelevät moottorin ohjausta, invertteriä / muunninta tai SMPS-tuotteita, joissa laitetta käytetään yleensä äärimmäisissä lämpötiloissa tai ylikuormituksessa.

Lähteet: MOSFET-koulutus , Turvallinen toiminta-alue