Если вы задаетесь вопросом или беспокоитесь о том, какую именно мощность ваш MOSFET может выдержать в экстремальных условиях или в экстремальных ситуациях, связанных с диссипацией, то показатели SOA устройства - это именно то, на что вам следует обратить внимание.
В этом посте мы подробно обсудим безопасную рабочую зону или SOA, как это показано в таблице данных MOSFET.
Ниже приведена безопасная рабочая область MOSFET или график SOA, который обычно виден во всех Инструменты Техаса таблицы данных.
MOSFET SOA описывается как величина, определяющая максимальную мощность, которую полевой транзистор может обрабатывать, когда он работает в области насыщения.
Увеличенный вид графика SOA можно увидеть на следующем изображении ниже.
На графике SOA выше мы видим все эти ограничения и границы. А дальше по графику мы находим дополнительные ограничения для множества различных длительностей отдельных импульсов. И эти линии внутри графика могут быть определены либо расчетами, либо физическими измерениями.
В более ранних и старых таблицах данных эти параметры оценивались с помощью расчетных значений.
Однако обычно рекомендуется измерять эти параметры на практике. Если вы оцениваете их с помощью формул, вы можете в конечном итоге получить гипотетические значения, которые могут быть буквально намного больше, чем FET может выдержать в реальном приложении. Или, возможно, вы можете снизить (чрезмерно компенсировать) параметры до уровня, который может быть слишком низким по сравнению с тем, с чем фактически может иметь дело полевой транзистор.
Итак, в наших следующих обсуждениях мы изучаем параметры SOA, которые оцениваются с помощью реальных практических методов, а не с помощью формул или моделирования.
Давайте начнем с понимания того, что такое режим насыщения и линейный режим в полевых транзисторах.
Линейный режим против режима насыщенности
Ссылаясь на приведенный выше график, линейный режим определяется как область, в которой согласовано RDS (включено) или сопротивление сток-исток полевого транзистора.
Это означает, что ток, проходящий через полевой транзистор, прямо пропорционален смещению сток-исток через полевой транзистор. Его также часто называют омической областью, поскольку полевой транзистор действует аналогично фиксированному резистору.
Теперь, если мы начнем увеличивать напряжение смещения сток-исток на полевом транзисторе, мы в конечном итоге обнаружим, что полевой транзистор работает в области, известной как область насыщения. Как только полевой МОП-транзистор принудительно переходит в область насыщения, ток (в амперах), проходящий через полевой МОП-транзистор через сток к истоку, больше не реагирует на увеличение напряжения смещения сток-исток.
Следовательно, независимо от того, насколько вы увеличиваете напряжение стока, этот полевой транзистор продолжает передавать через него фиксированный максимальный уровень тока.
Единственный способ, которым вы можете манипулировать током, обычно - это изменение напряжения затвор-исток.
Однако эта ситуация кажется немного озадачивающей, поскольку это, как правило, описание линейной области и области насыщения из вашего учебника. Ранее мы узнали, что этот параметр довольно часто называют омической областью. Тем не менее некоторые люди фактически называют это линейной областью. Может быть, мышление выглядит как прямая линия, значит, она должна быть линейной?
Если вы заметили, что люди обсуждают приложения с горячей заменой, они скажут, что я работаю в линейной области. Но это по сути технологически неприемлемо.
Понимание MOSFET SOA
Теперь, когда мы знаем, что такое область насыщения полевого транзистора, мы можем подробно рассмотреть наш график SOA. SOA можно разбить на 5 отдельных ограничений. Давайте узнаем, что именно они из себя представляют.
RDS (on) Ограничение
Первая линия на графике серого цвета представляет ограничение RDS (on) полевого транзистора. И это область, которая эффективно ограничивает максимальное количество тока через полевой транзистор из-за сопротивления устройства в открытом состоянии.
Другими словами, он указывает на самое высокое сопротивление полевого МОП-транзистора, которое может существовать при максимально допустимой температуре перехода полевого МОП-транзистора.
Мы видим, что эта серая линия имеет положительный постоянный наклон, равный единице, просто потому, что каждая точка в этой линии обладает одинаковым сопротивлением включения в соответствии с законом Ома, который гласит, что R равно V, деленному на I.
Текущее ограничение
Следующая строка ограничения на графике SOA представляет текущее ограничение. Вверху на графике можно увидеть различные значения импульсов, обозначенные синей, зеленой и фиолетовой линиями, ограниченные до 400 ампер верхней горизонтальной черной линией.
Короткий горизонтальный участок КРАСНОЙ линии указывает на предел корпуса устройства или предел непрерывного тока (DC) полевого транзистора, составляющий около 200 ампер.
Ограничение максимальной мощности
Третье ограничение SOA - это линия ограничения максимальной мощности полевого МОП-транзистора, представленная оранжевой наклонной линией.
Как мы заметили, эта линия имеет постоянный, но отрицательный наклон. Он постоянный, поскольку каждая точка на этой линии ограничения мощности SOA несет одинаковую постоянную мощность, представленную формулой P = IV.
Следовательно, на этой логарифмической кривой SOA это дает наклон -1. Отрицательный знак связан с тем, что ток, протекающий через полевой МОП-транзистор, здесь уменьшается с увеличением напряжения сток-исток.
Это явление в первую очередь связано с отрицательными характеристиками коэффициента полевого МОП-транзистора, который ограничивает ток через устройство при повышении температуры его перехода.
Ограничение термической нестабильности
Далее, четвертое ограничение MOSFET в зоне его безопасной работы обозначено желтой наклонной линией, которая представляет ограничение тепловой нестабильности.
Именно в этой области SOA становится действительно важным измерить работоспособность устройства. Это связано с тем, что эту область тепловой нестабильности невозможно предсказать никаким подходящим способом.
Следовательно, нам практически необходимо проанализировать MOSFET в этой области, чтобы выяснить, где FET может выйти из строя, и каковы именно рабочие характеристики конкретного устройства?
Таким образом, прямо сейчас мы можем увидеть, если бы мы взяли это ограничение максимальной мощности и расширили его до самого низа желтой линии, тогда, что мы вдруг обнаружим?
Мы обнаружили, что ограничение отказа MOSFET находится на очень низком уровне, который намного ниже по сравнению с областью ограничения максимальной мощности, представленной в таблице данных (представленной оранжевым наклоном).
Или предположим, что мы оказались слишком консервативными и говорим людям, что, смотрите, нижняя область желтой линии - это на самом деле то, что FET может обрабатывать на максимуме. Что ж, мы, возможно, были в большей безопасности с этим заявлением, но тогда мы могли бы чрезмерно компенсировать возможность ограничения мощности устройства, что может быть неразумным, верно?
Именно поэтому эту область термической нестабильности нельзя определить или заявить с помощью формул, но необходимо фактически проверить.
Ограничение напряжения пробоя
Пятая область ограничения на графике SOA - это ограничение напряжения пробоя, представленное черной вертикальной линией. Это просто максимальная пропускная способность полевого транзистора по напряжению сток-исток.
Согласно графику, устройство оснащено 100-вольтовым BVDSS, что объясняет, почему эта черная вертикальная линия принудительно привязана к отметке 100 вольт Drain-Source.
Было бы интересно исследовать более раннее понятие термической нестабильности. Для этого нам необходимо выделить фразу, называемую «температурный коэффициент».
Температурный коэффициент MOSFET
Температурный коэффициент полевого МОП-транзистора можно определить как изменение тока при изменении температуры перехода полевого МОП-транзистора.
Tc = ∂ID / ∂Tj
Поэтому, когда мы исследуем кривую передаточных характеристик полевого МОП-транзистора в его техническом описании, мы находим ток сток-исток полевого транзистора в зависимости от увеличения напряжения затвор-исток полевого транзистора, мы также обнаруживаем, что эти характеристики оцениваются как 3 разные температурные диапазоны.
Нулевой температурный коэффициент (ZTC)
Если мы посмотрим на точку, представленную оранжевым кружком, это то, что мы обозначим как нулевой температурный коэффициент полевого МОП-транзистора .
В этот момент, даже если температура перехода устройства продолжает увеличиваться, не происходит улучшения передачи тока через полевой транзистор.
∂ID/ ∂Tj = 0 , куда яD ток стока полевого МОП-транзистора, Тj представляет собой температуру перехода устройства
Если мы посмотрим на область над этим нулевым температурным коэффициентом (оранжевый кружок), когда мы перейдем от отрицательных -55 к 125 градусам Цельсия, ток через полевой транзистор фактически начнет падать.
∂ID/ ∂Tj <0
Эта ситуация свидетельствует о том, что полевой МОП-транзистор действительно нагревается, но мощность, рассеиваемая через устройство, становится меньше. Это означает, что на самом деле нет опасности нестабильности для устройства, и перегрев устройства может быть допустим, и в отличие от BJT, возможно, нет риска ситуации теплового разгона.
Однако при токах в области ниже нулевого температурного коэффициента (оранжевый кружок) мы замечаем тенденцию, когда повышение температуры устройства, то есть от минус -55 до 125 градусов, приводит к тому, что пропускная способность по току составляет устройство на самом деле увеличить.
∂ID/ ∂Tj > 0
Это происходит из-за того, что температурный коэффициент полевого МОП-транзистора в этих точках больше нуля. Но, с другой стороны, увеличение тока через полевой МОП-транзистор вызывает пропорциональное увеличение RDS (вкл.) (Сопротивление сток-исток) полевого МОП-транзистора, а также вызывает постепенное пропорциональное повышение температуры корпуса устройства, что приводит к увеличению тока. передача через устройство. Когда полевой МОП-транзистор попадает в эту область контура положительной обратной связи, в его поведении может развиться нестабильность.
Однако никто не может сказать, может ли описанная выше ситуация случиться или нет, и не существует простой схемы для прогнозирования того, когда такого рода нестабильность может возникнуть внутри MOSFET.
Это связано с тем, что MOSFET может иметь множество параметров в зависимости от самой его структуры плотности ячеек или гибкости корпуса для равномерного рассеивания тепла по всему корпусу MOSFET.
Из-за этих неопределенностей для каждого конкретного полевого МОП-транзистора необходимо подтверждать такие факторы, как тепловой пробой или тепловая нестабильность в указанных областях. Нет, эти атрибуты полевого МОП-транзистора невозможно угадать, просто применяя уравнение максимальной потери мощности.
Почему SOA так важна
Показатели SOA могут быть критически полезны в приложениях MOSFET, где устройство часто работает в областях насыщения.
Это также полезно в горячая замена или приложения контроллера Oring, где становится критически важным точно знать, сколько мощности MOSFET сможет выдержать, обращаясь к их диаграммам SOA.
На практике вы обнаружите, что значения безопасной рабочей зоны MOSFET, как правило, очень полезны для большинства потребителей, имеющих дело с системами управления двигателями, инверторами / преобразователями или продуктами SMPS, где устройство обычно работает в условиях экстремальных температур или перегрузки.
Источники: MOSFET обучение , Безопасная рабочая зона
Предыдущая статья: Как работает IC LM337: техническое описание, схемы применения Следующая статья: Схема синусоидального инвертора класса D
