MOSFET 安全工作區域 SOA是什么

如果您想知道或擔心您的 MOSFET 在極端條件下或極端耗散情況下究竟能承受多少功率，那么您應該查看器件的 SOA 數據。

在這篇文章中，我們將全面討論 MOSFET 數據表中顯示的安全工作區域 SOA。

以下是 MOSFET 安全工作區域 SOA 圖，通常在所有雷卯電子LEIDITECH MOSFET數據表中都可以看到。

圖中figure 8 MOSFET SOA 被描述為指定 FET 在飽和區工作時(shí)可以處理的最大功率的幅度。

SOA 圖的放大圖如下圖所示。

在上面的 SOA 圖中，我們能夠看到所有這些限制和邊界。在圖表的更深處，我們發(fā)現許多不同的單個(gè)脈沖持續時(shí)間的額外限制。圖中的這些線(xiàn)可以通過(guò)計算或物理測量來(lái)確定。

在較早和較早的數據表中，這些參數是用計算值估計的。

但是，通常建議對這些參數進(jìn)行實(shí)際測量。如果您使用公式對它們進(jìn)行評估，您最終可能會(huì )得到比實(shí)際應用中 FET 所能承受的實(shí)際值大得多的假設值?；蛘?，相對于 FET 實(shí)際可以處理的內容，您可能會(huì )將參數降級（過(guò)度補償）到一個(gè)可能過(guò)于柔和的水平。

因此，在我們接下來(lái)的討論中，我們學(xué)習了通過(guò)真正實(shí)用的方法而不是通過(guò)公式或模擬來(lái)評估的 SOA 參數。

讓我們首先了解什么是 FET 中的飽和模式和線(xiàn)性模式。

參考上圖，線(xiàn)性模式定義為RDS(on)或FET的漏源電阻一致的區域。

這意味著(zhù)，通過(guò) FET 的電流與通過(guò) FET 的漏源偏壓成正比。它通常也被稱(chēng)為歐姆區，因為 FET 的作用本質(zhì)上類(lèi)似于固定電阻器。

現在，如果我們開(kāi)始增加 FET 的漏源偏置電壓，我們最終會(huì )發(fā)現 FET 在稱(chēng)為飽和區的區域工作。一旦 MOSFET 工作被迫進(jìn)入飽和區，通過(guò) MOSFET 穿過(guò)漏極到源極的電流（安培）不再響應漏極到源極偏置電壓的增加。

因此，無(wú)論您增加多少漏極電壓，該 FET 都會(huì )繼續通過(guò)它傳輸固定的最大電流水平。

控制電流的唯一方法通常是改變柵源電壓。

但是，這種情況似乎有點(diǎn)令人費解，因為這些通常是您對線(xiàn)性和飽和區域的教科書(shū)描述。之前我們了解到，這個(gè)參數通常被稱(chēng)為歐姆區域。然而，有些人實(shí)際上將其命名為線(xiàn)性區域。也許，心態(tài)是，嗯，這看起來(lái)像一條直線(xiàn)，所以它必須是線(xiàn)性的？

如果你注意到人們在討論熱插拔應用程序，他們會(huì )說(shuō)，好吧，我在線(xiàn)性區域工作。但這本質(zhì)上在技術(shù)上是不合適的。

現在，既然我們知道了什么是 FET 飽和區域，我們現在可以詳細查看我們的 SOA 圖。SOA 可以分解為 5 個(gè)單獨的限制。讓我們了解它們到底是什么。

圖中的第一條灰色線(xiàn)表示 FET 的 RDS(on) 限制。這是由于器件的導通電阻而有效限制通過(guò) FET 的最大電流量的區域。

換言之，它表示在 MOSFET 的最大可容忍結溫下可能存在的 MOSFET 的最高導通電阻。

我們觀(guān)察到這條灰線(xiàn)具有一個(gè)正的恒定斜率，這僅僅是因為這條線(xiàn)內的每個(gè)點(diǎn)都具有相同數量的導通電阻，根據歐姆定律，其中規定 R 等于 V 除以 I。

SOA 圖中的下一條限制線(xiàn)表示當前限制。在圖表上方，可以看到由藍色、綠色、紫色線(xiàn)表示的不同脈沖值，上方水平黑線(xiàn)限制為 400 安培。

紅線(xiàn)的短水平部分表示器件的封裝限制，或 FET 的連續電流限制 (DC)，約為 200 安培。

第三個(gè) SOA 限制是 MOSFET 的最大功率限制線(xiàn)，由橙色斜線(xiàn)表示。

正如我們注意到的那樣，這條線(xiàn)帶有一個(gè)恒定的斜率，但卻是一個(gè)負斜率。它是恒定的，因為這條 SOA 功率限制線(xiàn)上的每個(gè)點(diǎn)都承載相同的恒定功率，由公式 P = IV 表示。

因此，在這個(gè) SOA 對數曲線(xiàn)中，這會(huì )產(chǎn)生 -1 的斜率。負號是因為流過(guò) MOSFET 的電流隨著(zhù)漏源電壓的增加而減少。

這種現象主要是由于 MOSFET 的負系數特性在結溫升高時(shí)會(huì )限制通過(guò)器件的電流。

接下來(lái)，在其安全工作區域內的第四個(gè) MOSFET 限制由黃色斜線(xiàn)表示，它代表熱不穩定性限制。

正是在 SOA 的這個(gè)區域中，對于實(shí)際測量設備的運行能力變得非常重要。這是因為無(wú)法通過(guò)任何適當的方式預測該熱不穩定區域。

因此，我們實(shí)際上需要對這方面的MOSFET進(jìn)行分析，找出FET可能失效的地方，具體器件的工作能力究竟如何？

因此我們現在可以看到，如果我們采取這個(gè)最大功率限制，并將其一直延伸到黃線(xiàn)的底部，那么，我們突然發(fā)現了什么？

我們發(fā)現 MOSFET 故障限制處于非常低的水平，與數據表上宣傳的最大功率限制區域（由橙色斜率表示）相比，該值要低得多。

或者假設我們碰巧過(guò)于保守，并告訴人們，嘿，黃線(xiàn)的底部區域實(shí)際上是 FET 可以處理的最大值。好吧，這個(gè)聲明我們可能是最安全的，但是我們可能已經(jīng)過(guò)度補償了設備的功率限制能力，這可能不合理，對吧？

這就是為什么這個(gè)熱不穩定區域不能用公式確定或聲稱(chēng)，而是必須實(shí)際測試的原因。

SOA 圖中的第五個(gè)限制區域是擊穿電壓限制，由黑色垂直線(xiàn)表示。這僅僅是 FET 的最大漏源電壓處理能力。

根據圖表，該設備具有 100 伏 BVDSS，這解釋了為什么這條黑色垂直線(xiàn)在 100 伏漏源標記處強制執行。

多研究熱不穩定性的早期概念會(huì )很有趣。為此，我們需要概述一個(gè)稱(chēng)為“溫度系數”的短語(yǔ)。

MOSFET 溫度系數可以定義為電流隨 MOSFET 結溫變化的變化。

Tc = ?ID / ?Tj

因此，當我們在其數據表中檢查 MOSFET 的傳輸特性曲線(xiàn)時(shí)，我們發(fā)現 FET 的漏源電流與 FET 增加的柵源電壓的關(guān)系，我們還發(fā)現該特性在 3不同的溫度范圍。

零溫度系數 (ZTC)

如果我們查看用橙色圓圈表示的點(diǎn)，這就是我們所說(shuō)的 MOSFET 的零溫度系數。

在這一點(diǎn)上，即使器件的結溫不斷升高，也不會(huì )增強通過(guò) FET 的電流傳輸。

?ID / ?Tj = 0

其中ID為 MOSFET 的漏極電流， Tj代表器件的結溫

如果我們觀(guān)察這個(gè)零溫度系數（橙色圓圈）之上的區域，當我們從負溫度 -55 攝氏度移動(dòng)到 125 攝氏度時(shí)，通過(guò) FET 的電流實(shí)際上開(kāi)始下降。

?ID / ?Tj < 0

這種情況表明 MOSFET 確實(shí)變熱了，但通過(guò)器件消耗的功率卻越來(lái)越低。這意味著(zhù)設備實(shí)際上不存在不穩定的危險，并且可能允許設備過(guò)熱，并且與 BJT 不同，可能沒(méi)有熱失控情況的風(fēng)險。

然而，在零溫度系數（橙色圓圈）以下區域的電流下，我們注意到了這樣一種趨勢，即器件溫度的升高，即跨過(guò)負 -55 到 125 度，導致電流傳輸容量為實(shí)際增加的設備。

?ID / ?Tj > 0

這是因為 MOSFET 的溫度系數在這些點(diǎn)上高于零。但是，另一方面，通過(guò) MOSFET 的電流增加會(huì )導致 MOSFET 的 RDS(on)（漏源電阻）成比例地增加，并且還會(huì )導致器件的體溫逐漸成比例地升高，從而導致更大的電流通過(guò)設備傳輸。當 MOSFET 進(jìn)入正反饋環(huán)路的這個(gè)區域時(shí)，它可能會(huì )導致 MOSFET 行為不穩定。

然而，沒(méi)有人能判斷上述情況是否會(huì )發(fā)生，也沒(méi)有簡(jiǎn)單的設計來(lái)預測這種不穩定性何時(shí)會(huì )在 MOSFET 內部出現。

這是因為 MOSFET 可能涉及大量參數，具體取決于其單元密度結構本身，或封裝的靈活性，以均勻地散發(fā)整個(gè) MOSFET 主體的熱量。

由于這些不確定性，必須為每個(gè)特定的 MOSFET 確認指定區域中的熱失控或任何熱不穩定性等因素。不，MOSFET的這些屬性不能簡(jiǎn)單地通過(guò)應用最大功率損耗方程來(lái)猜測。

SOA 數據在器件經(jīng)常在飽和區工作的 MOSFET 應用中非常有用。

它在熱插拔控制器應用中也很有用，在這些應用中，通過(guò)參考其 SOA 圖表來(lái)準確了解 MOSFET 能夠承受多少功率變得至關(guān)重要。

實(shí)際上，您會(huì )發(fā)現 MOSFET 安全工作區值往往對大多數處理電機控制、逆變器/轉換器或 SMPS 產(chǎn)品的消費者非常有用，這些產(chǎn)品通常在極端溫度或過(guò)載條件下運行。