Grundlegendes zum MOSFET Safe Operating Area oder SOA

Wenn Sie sich fragen oder sich Sorgen darüber machen, wie viel Leistung Ihr MOSFET unter extremen Bedingungen oder in extrem dissipativen Situationen tolerieren kann, sollten Sie sich die SOA-Werte des Geräts genau ansehen.

In diesem Beitrag werden wir den sicheren Betriebsbereich oder die SOA ausführlich erörtern, wie er im MOSFET-Datenblatt angezeigt wird.

Das Folgende ist der MOSFET-sichere Betriebsbereich oder das SOA-Diagramm, das normalerweise in allen angezeigt wird Texas Instruments Datenblätter.

MOSFET-SOA wird als die Größe beschrieben, die die maximale Leistung angibt, die der FET verarbeiten kann, während er im Sättigungsbereich arbeitet.

Der vergrößerte Blick auf das SOA-Diagramm ist im nächsten Bild unten zu sehen.

In der obigen SOA-Grafik sehen wir alle diese Einschränkungen und Grenzen. Und weiter unten in der Grafik finden wir zusätzliche Einschränkungen für viele verschiedene individuelle Pulsdauern. Und diese Linien innerhalb des Diagramms können entweder durch Berechnungen oder physikalische Messungen bestimmt werden.

In früheren und älteren Datenblättern wurden diese Parameter mit berechneten Werten geschätzt.

Normalerweise wird jedoch empfohlen, diese Parameter praktisch zu messen. Wenn Sie sie anhand von Formeln bewerten, erhalten Sie möglicherweise hypothetische Werte, die buchstäblich viel größer sind, als der FET in der Praxis tolerieren kann. Oder Sie können die Parameter auf ein Niveau reduzieren (überkompensieren), das möglicherweise viel zu gedämpft ist, relativ zu dem, was der FET tatsächlich verarbeiten kann.

In unseren folgenden Diskussionen lernen wir die SOA-Parameter kennen, die durch reale praktische Methoden und nicht durch Formeln oder Simulationen bewertet werden.

Beginnen wir mit dem Verständnis des Sättigungsmodus und des linearen Modus in FETs.

Linearer Modus gegen Sättigungsmodus

Unter Bezugnahme auf das obige Diagramm ist der lineare Modus definiert als der Bereich, in dem der RDS (Ein) - oder der Drain-Source-Widerstand des FET konsistent ist.

Dies bedeutet, dass der durch den FET fließende Strom direkt proportional zur Drain-Source-Vorspannung durch den FET ist. Es wird auch oft als ohmscher Bereich bezeichnet, da der FET im Wesentlichen ähnlich wie ein fester Widerstand wirkt.

Wenn wir nun beginnen, die Drain-Source-Vorspannung zum FET zu erhöhen, finden wir schließlich, dass der FET in einem Bereich arbeitet, der als Sättigungsbereich bekannt ist. Sobald der MOSFET-Betrieb in den Sättigungsbereich gezwungen wird, reagiert der Strom (Ampere), der sich über den MOSFET über Drain zu Source bewegt, nicht mehr auf den Anstieg der Drain-Source-Vorspannung.

Unabhängig davon, wie stark Sie die Drain-Spannung erhöhen, überträgt dieser FET daher weiterhin einen festen maximalen Strompegel durch ihn.

Die einzige Möglichkeit, den Strom zu manipulieren, besteht normalerweise darin, die Gate-Source-Spannung zu variieren.

Diese Situation scheint jedoch etwas rätselhaft zu sein, da dies im Allgemeinen Ihre Lehrbuchbeschreibungen des linearen Bereichs und des Sättigungsbereichs sind. Zuvor haben wir erfahren, dass dieser Parameter häufig als ohmscher Bereich bezeichnet wird. Trotzdem nennen einige Leute dies tatsächlich die lineare Region. Vielleicht ist die Denkweise, nun, das sieht aus wie eine gerade Linie, also muss es linear sein?

Wenn Sie Leute bemerken, die über Hot-Swap-Anwendungen diskutieren, werden sie ausdrücken, dass ich in einem linearen Bereich arbeite. Das ist aber im Wesentlichen technologisch unangemessen.

MOSFET-SOA verstehen

Da wir nun wissen, was ein FET-Sättigungsbereich ist, können wir unser SOA-Diagramm im Detail überprüfen. Die SOA kann in 5 individuelle Einschränkungen unterteilt werden. Lassen Sie uns lernen, was genau sie sind.

RDS (on) -Einschränkung

Die erste graue Linie im Diagramm repräsentiert die RDS (on) -Begrenzung des FET. Und dies ist der Bereich, der die maximale Strommenge durch den FET aufgrund des Einschaltwiderstands des Geräts effektiv begrenzt.

Mit anderen Worten zeigt es den höchsten Einschaltwiderstand des MOSFET an, der bei der maximal tolerierbaren Sperrschichttemperatur des MOSFET existieren kann.

Wir beobachten, dass diese graue Linie eine positive konstante Steigung der Einheit aufweist, einfach weil jeder Punkt innerhalb dieser Linie gemäß dem Ohmschen Gesetz, das besagt, dass R gleich V geteilt durch I ist, einen identischen Betrag an EIN-Widerstand besitzt.

Strombegrenzung

Die nächste Begrenzungslinie im SOA-Diagramm repräsentiert die aktuelle Begrenzung. Oben in der Grafik sind die verschiedenen Impulswerte zu sehen, die durch die blauen, grünen und violetten Linien angezeigt werden und durch die obere horizontale schwarze Linie auf 400 Ampere begrenzt sind.

Der kurze horizontale Abschnitt der ROTEN Leitung gibt die Gehäusegrenze des Geräts oder die Dauerstrombegrenzung (DC) des FET bei etwa 200 Ampere an.

Maximale Leistungsbegrenzung

Die dritte SOA-Begrenzung ist die maximale Leistungsbegrenzungslinie des MOSFET, dargestellt durch die orange geneigte Linie.

Wie wir bemerken, trägt diese Linie eine konstante Steigung, aber eine negative. Sie ist konstant, da jeder Punkt auf dieser SOA-Leistungsgrenzlinie dieselbe konstante Leistung trägt, dargestellt durch die Formel P = IV.

Daher erzeugt dies in dieser logarithmischen SOA-Kurve eine Steigung von -1. Das negative Vorzeichen ist darauf zurückzuführen, dass der Stromfluss durch den MOSFET hier mit zunehmender Drain-Source-Spannung abnimmt.

Dieses Phänomen ist hauptsächlich auf die negativen Koeffizienteneigenschaften des MOSFET zurückzuführen, die den Strom durch die Vorrichtung mit zunehmender Sperrschichttemperatur einschränken.

Begrenzung der thermischen Instabilität

Als nächstes wird die vierte MOSFET-Begrenzung über ihren sicheren Betriebsbereich durch die gelbe geneigte Linie angezeigt, die die Begrenzung der thermischen Instabilität darstellt.

In diesem Bereich der SOA ist es sehr wichtig, die Betriebskapazität des Geräts tatsächlich zu messen. Dies liegt daran, dass dieser Bereich der thermischen Instabilität mit keinen geeigneten Mitteln vorhergesagt werden kann.

Daher müssen wir den MOSFET in diesem Bereich praktisch analysieren, um herauszufinden, wo der FET ausfallen kann und wie genau die Arbeitsfähigkeit des jeweiligen Geräts ist.

So können wir jetzt sehen, ob wir diese maximale Leistungsbegrenzung nehmen und sie am Ende der gelben Linie ganz nach unten ausdehnen. Was finden wir dann plötzlich?

Wir stellen fest, dass die MOSFET-Fehlerbegrenzung auf dem sehr niedrigen Niveau landet, dessen Wert im Vergleich zu dem im Datenblatt angegebenen Bereich der maximalen Leistungsbegrenzung (dargestellt durch die orangefarbene Steigung) viel niedriger ist.

Oder nehmen wir an, wir sind zu konservativ und sagen den Leuten, dass der untere Bereich der gelben Linie genau das ist, was der FET maximal verarbeiten kann. Nun, wir sind mit dieser Erklärung vielleicht auf der sichersten Seite, aber dann haben wir möglicherweise die Leistungsbegrenzungsfähigkeit des Geräts überkompensiert, was möglicherweise nicht zumutbar ist, oder?

Genau deshalb kann dieser thermische Instabilitätsbereich nicht mit Formeln bestimmt oder beansprucht werden, sondern muss tatsächlich getestet werden.

Durchbruchspannungsbegrenzung

Der fünfte Begrenzungsbereich im SOA-Diagramm ist die Durchbruchspannungsbegrenzung, die durch die schwarze vertikale Linie dargestellt wird. Dies ist lediglich die maximale Drain-Source-Spannungshandhabungskapazität des FET.

Gemäß der Grafik verfügt das Gerät über ein 100-Volt-BVDSS, was erklärt, warum diese schwarze vertikale Linie bei einer 100-Volt-Drain-Source-Markierung erzwungen wird.

Es wäre interessant, den früheren Begriff der thermischen Instabilität etwas genauer zu untersuchen. Um dies zu erreichen, müssen wir einen Ausdruck umreißen, der als 'Temperaturkoeffizient' bezeichnet wird.

MOSFET-Temperaturkoeffizient

Der MOSFET-Temperaturkoeffizient kann als die Änderung des Stroms über die Änderung der Sperrschichttemperatur des MOSFET definiert werden.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Wenn wir daher die Übertragungseigenschaftskurve eines MOSFET in seinem Datenblatt untersuchen, finden wir den Drain-Source-Strom des FET gegenüber der ansteigenden Gate-Source-Spannung des FET. Wir finden auch, dass diese Eigenschaften bei 3 bewertet werden verschiedene Temperaturbereiche.

Nulltemperaturkoeffizient (ZTC)

Wenn wir uns den mit dem orangefarbenen Kreis dargestellten Punkt ansehen, würden wir dies als Null-Temperaturkoeffizient des MOSFET .

Selbst wenn die Sperrschichttemperatur der Vorrichtung weiter ansteigt, führt dies zu diesem Zeitpunkt zu keiner Verbesserung der Stromübertragung durch den FET.

∂I_D./ ∂T_j = 0 , wo ich_D. ist der Drainstrom des MOSFET, T._j repräsentiert die Sperrschichttemperatur des Geräts

Wenn wir den Bereich über diesem Null-Temperaturkoeffizienten (orangefarbener Kreis) betrachten, während wir uns vom negativen -55 auf 125 Grad Celsius bewegen, beginnt der Strom durch den FET tatsächlich zu fallen.

∂I_D./ ∂T_j <0

Diese Situation zeigt an, dass der MOSFET wirklich heißer wird, aber die durch das Gerät abgegebene Leistung wird geringer. Dies bedeutet, dass tatsächlich keine Gefahr einer Instabilität des Geräts besteht und eine Überhitzung des Geräts zulässig sein kann. Im Gegensatz zu BJTs besteht möglicherweise kein Risiko für ein thermisches Durchgehen.

Bei Strömen im Bereich unterhalb des Temperaturkoeffizienten Null (orangefarbener Kreis) stellen wir jedoch den Trend fest, bei dem ein Anstieg der Temperatur des Geräts, dh über den negativen Wert von -55 bis 125 Grad, die Stromübertragungskapazität von verursacht das Gerät tatsächlich zu erhöhen.

∂I_D./ ∂T_j > 0

Dies geschieht aufgrund der Tatsache, dass der Temperaturkoeffizient des MOSFET an diesen Punkten höher als Null ist. Andererseits bewirkt eine Erhöhung des Stroms durch den MOSFET eine proportionale Erhöhung des RDS (on) (Drain-Source-Widerstand) des MOSFET und verursacht auch eine proportionale Erhöhung der Körpertemperatur der Vorrichtung progressiv, was zu weiterem Strom führt Übertragung durch das Gerät. Wenn der MOSFET in diesen Bereich einer positiven Rückkopplungsschleife gelangt, kann dies zu einer Instabilität des MOSFET-Verhaltens führen.

Es kann jedoch niemand sagen, ob die obige Situation eintreten könnte oder nicht, und es gibt kein einfaches Design für die Vorhersage, wann diese Art von Instabilität innerhalb des MOSFET auftreten könnte.

Dies liegt daran, dass der MOSFET abhängig von seiner Zelldichtestruktur selbst oder der Flexibilität des Gehäuses, Wärme gleichmäßig über den gesamten MOSFET-Körper abzuleiten, möglicherweise viele Parameter enthält.

Aufgrund dieser Unsicherheiten müssen Faktoren wie thermisches Durchgehen oder eine thermische Instabilität in den angegebenen Bereichen für jeden einzelnen MOSFET bestätigt werden. Nein, diese Attribute des MOSFET können nicht einfach durch Anwendung der Gleichung für den maximalen Leistungsverlust erraten werden.

Warum SOA so entscheidend ist

Die SOA-Zahlen können bei MOSFET-Anwendungen von entscheidender Bedeutung sein, bei denen die Vorrichtung häufig in den Sättigungsbereichen betrieben wird.

Es ist auch nützlich in Heißer Tausch oder Oring-Controller-Anwendungen, bei denen es wichtig ist, anhand der SOA-Diagramme genau zu wissen, wie viel Leistung der MOSFET tolerieren kann.

In der Praxis werden Sie feststellen, dass MOSFET-Werte für den sicheren Betriebsbereich für die meisten Verbraucher, die sich mit Motorsteuerungs-, Wechselrichter- / Wandler- oder SMPS-Produkten befassen, bei denen das Gerät normalerweise unter extremen Temperatur- oder Überlastbedingungen betrieben wird, sehr nützlich sind.

Quellen: MOSFET-Training , Sicherer Betriebsbereich