了解MOSFET安全工作區域SOA

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區域SOA。

SOA曲線圖

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

圖中figure8 MOSFET SOA 被描述為指定FET在飽和區工作時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，我們發現許多不同的單個脈沖持續時間的額外限制。圖中的這些線可以通過計算或物理測量來確定。

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行實際測量。如果您使用公式對它們進行評估，您最終可能會得到比實際應用中FET所能承受的實際值大得多的假設值。或者，相對于FET實際可以處理的內容，您可能會將參數降級(過度補償)到一個可能過于柔和的水平。

因此，在我們接下來的討論中，我們學習了通過真正實用的方法而不是通過公式或模擬來評估的SOA參數。

讓我們首先了解什么是FET中的飽和模式和線性模式。

線性模式與飽和模式

參考上圖，線性模式定義為RDS(on)或FET的漏源電阻一致的區域。

這意味著，通過FET的電流與通過FET的漏源偏壓成正比。它通常也被稱為歐姆區，因為FET的作用本質上類似于固定電阻器。

現在，如果我們開始增加FET的漏源偏置電壓，我們最終會發現FET在稱為飽和區的區域工作。一旦MOSFET工作被迫進入飽和區，通過MOSFET穿過漏極到源極的電流(安培)不再響應漏極到源極偏置電壓的增加。

因此，無論您增加多少漏極電壓，該FET都會繼續通過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，這種情況似乎有點令人費解，因為這些通常是您對線性和飽和區域的教科書描述。之前我們了解到，這個參數通常被稱為歐姆區域。然而，有些人實際上將其命名為線性區域。也許，心態是，嗯，這看起來像一條直線，所以它必須是線性的?

如果你注意到人們在討論熱插拔應用程序，他們會說，好吧，我在線性區域工作。但這本質上在技術上是不合適的。

了解MOSFET SOA

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個單獨的限制。讓我們了解它們到底是什么。

RDS(on) 限制

圖中的第一條灰色線表示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。

我們觀察到這條灰線具有一個正的恒定斜率，這僅僅是因為這條線內的每個點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。

電流限制

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

紅線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。

最大功率限制

第三個SOA限制是MOSFET的最大功率限制線，由橙色斜線表示。

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

因此，在這個SOA對數曲線中，這會產生-1的斜率。負號是因為流過MOSFET的電流隨著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會限制通過器件的電流。

熱不穩定性限制

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

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

因此，我們實際上需要對這方面的MOSFET進行分析，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，如果我們采取這個最大功率限制，并將其一直延伸到黃線的底部，那么，我們突然發現了什么?

我們發現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于保守，并告訴人們，嘿，黃線的底部區域實際上是FET可以處理的最大值。好吧，這個聲明我們可能是最安全的，但是我們可能已經過度補償了設備的功率限制能力，這可能不合理，對吧?

這就是為什么這個熱不穩定區域不能用公式確定或聲稱，而是必須實際測試的原因。

擊穿電壓限制

SOA圖中的第五個限制區域是擊穿電壓限制，由黑色垂直線表示。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很有趣。為此，我們需要概述一個稱為“溫度系數”的短語。

MOSFET 溫度系數

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的傳輸特性曲線時，我們發現FET的漏源電流與FET增加的柵源電壓的關系，我們還發現該特性在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，這就是我們所說的MOSFET的零溫度系數。

在這一點上，即使器件的結溫不斷升高，也不會增強通過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

如果我們觀察這個零溫度系數(橙色圓圈)之上的區域，當我們從負溫度-55攝氏度移動到125攝氏度時，通過FET的電流實際上開始下降。

?ID/?Tj<0

這種情況表明MOSFET確實變熱了，但通過器件消耗的功率卻越來越低。這意味著設備實際上不存在不穩定的危險，并且可能允許設備過熱，并且與BJT不同，可能沒有熱失控情況的風險。

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，即跨過負-55到125度，導致電流傳輸容量為實際增加的設備。

?ID/?Tj>0

這是因為MOSFET的溫度系數在這些點上高于零。但是，另一方面，通過MOSFET的電流增加會導致MOSFET的RDS(on)(漏源電阻)成比例地增加，并且還會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設備傳輸。當MOSFET進入正反饋環路的這個區域時，它可能會導致MOSFET行為不穩定。

然而，沒有人能判斷上述情況是否會發生，也沒有簡單的設計來預測這種不穩定性何時會在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，以均勻地散發整個MOSFET主體的熱量。

由于這些不確定性，必須為每個特定的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的這些屬性不能簡單地通過應用最大功率損耗方程來猜測。

為什么SOA 如此重要?

SOA數據在器件經常在飽和區工作的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，通過參考其SOA圖表來準確了解MOSFET能夠承受多少功率變得至關重要。

實際上，您會發現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產品的消費者非常有用，這些產品通常在極端溫度或過載條件下運行。