Comprensione dell'area operativa sicura MOSFET o SOA

Se ti stai chiedendo o sei preoccupato di quanta potenza può tollerare il tuo MOSFET in condizioni estreme o in situazioni di dissipazione estreme, le cifre SOA del dispositivo sono esattamente ciò che dovresti guardare.

In questo post discuteremo in modo esauriente l'area operativa sicura, o SOA, come appare nella scheda tecnica del MOSFET.

Quella che segue è l'area operativa sicura del MOSFET o il grafico SOA che normalmente si vede in tutti Texas Instruments schede tecniche.

Il MOSFET SOA è descritto come la grandezza che specifica la potenza massima che il FET può gestire mentre opera nella regione di saturazione.

Lo scorcio ingrandito del grafico SOA può essere visto nella prossima immagine qui sotto.

Nel grafico SOA sopra siamo in grado di vedere tutti questi limiti e confini. E più in profondità nel grafico troviamo ulteriori limitazioni per molte diverse durate individuali degli impulsi. E queste linee all'interno del grafico, potrebbero essere determinate tramite calcoli o misurazioni fisiche.

Nelle schede tecniche precedenti e precedenti, questi parametri erano stimati con valori calcolati.

Tuttavia, si raccomanda normalmente di misurare praticamente questi parametri. Se li valuti usando formule, potresti finire per ottenere valori ipotetici che potrebbero essere letteralmente molto più grandi di quanto il FET possa tollerare nell'applicazione del mondo reale. O forse potresti declassare (sovracompensare) i parametri a un livello che potrebbe essere troppo attenuato, rispetto a ciò che il FET può effettivamente affrontare.

Quindi nelle nostre discussioni successive apprendiamo i parametri SOA che vengono valutati attraverso metodi pratici reali e non da formule o simulazioni.

Cominciamo col capire cos'è la modalità di saturazione e la modalità lineare nei FET.

Modalità lineare vs modalità saturazione

Facendo riferimento al grafico sopra, la modalità lineare è definita come la regione in cui è coerente l'RDS (acceso) o la resistenza drain-source del FET.

Ciò significa che la corrente che passa attraverso il FET è direttamente proporzionale alla polarizzazione drain-source attraverso il FET. È anche spesso noto come regione ohmica, poiché il FET agisce essenzialmente in modo simile a un resistore fisso.

Ora, se iniziamo ad aumentare la tensione di polarizzazione drain-source al FET, alla fine troviamo il FET che opera in una regione nota come regione di saturazione. Una volta che l'operazione MOSFET è forzata nella regione di saturazione, la corrente (ampere) che si sposta attraverso il MOSFET attraverso il drain-source non risponde più all'aumento della tensione di polarizzazione da drain a source.

Pertanto, indipendentemente da quanto si aumenta la tensione di drain, questo FET continua a trasferire un livello massimo fisso di corrente attraverso di esso.

L'unico modo attraverso il quale è possibile manipolare la corrente è di solito variando la tensione gate-to-source.

Tuttavia, questa situazione sembra essere leggermente sconcertante, poiché queste sono generalmente le descrizioni da manuale della regione lineare e di saturazione. In precedenza abbiamo appreso che questo parametro è abbastanza spesso indicato come regione ohmica. Tuttavia, alcune persone la chiamano effettivamente regione lineare. Forse, la mentalità è, beh, questa sembra una linea retta, quindi deve essere lineare?

Se noti persone che parlano di applicazioni hot-swap, esprimeranno, beh, sto lavorando in una regione lineare. Ma questo è essenzialmente tecnologicamente inappropriato.

Capire MOSFET SOA

Ora poiché sappiamo cos'è una regione di saturazione FET, ora possiamo rivedere il nostro grafico SOA in dettaglio. La SOA potrebbe essere suddivisa in 5 limitazioni individuali. Impariamo cosa sono esattamente.

Limitazione RDS (attiva)

La prima riga del grafico, di colore grigio, rappresenta la limitazione RDS (attiva) del FET. E questa è la regione che limita effettivamente la quantità massima di corrente attraverso il FET a causa della resistenza on del dispositivo.

In altre parole, indica la più alta resistenza del MOSFET che può esistere alla massima temperatura di giunzione tollerabile del MOSFET.

Osserviamo che questa linea grigia ha una pendenza di unità costante positiva, semplicemente perché ogni punto all'interno di questa linea possiede una quantità identica di resistenza ON, in conformità alla legge di Ohm, che afferma che R è uguale a V diviso I.

Limitazione corrente

La successiva linea di limitazione nel grafico SOA rappresenta la limitazione corrente. In alto sul grafico si possono vedere i diversi valori di impulso indicati dalle linee blu, verde, viola, limitati a 400 ampere dalla linea nera orizzontale superiore.

La breve sezione orizzontale della linea ROSSA indica il limite del pacchetto del dispositivo, o il limite di corrente continua (DC) del FET, a circa 200 ampere.

Limitazione di potenza massima

La terza limitazione SOA è la linea di limitazione della potenza massima del MOSFET, rappresentata dalla linea inclinata arancione.

Come notiamo questa linea ha una pendenza costante ma negativa. È costante poiché ogni punto su questa linea di limite di potenza SOA ha la stessa potenza costante, rappresentata dalla formula P = IV.

Quindi, in questa curva logaritmica SOA, questo genera una pendenza di -1. Il segno negativo è dovuto al fatto che il flusso di corrente attraverso il MOSFET qui diminuisce all'aumentare della tensione drain-source.

Questo fenomeno è dovuto principalmente alle caratteristiche di coefficiente negativo del MOSFET che limita la corrente attraverso il dispositivo all'aumentare della sua temperatura di giunzione.

Limitazione dell'instabilità termica

Successivamente, la quarta limitazione del MOSFET nella sua area operativa sicura è indicata dalla linea gialla inclinata, che rappresenta la limitazione dell'instabilità termica.

È in questa regione della SOA che diventa davvero cruciale per misurare effettivamente la capacità operativa del dispositivo. Questo perché questa regione di instabilità termica non può essere prevista con alcun mezzo appropriato.

Pertanto, abbiamo praticamente bisogno di analizzare il MOSFET in quest'area per scoprire dove potrebbe non funzionare il FET, ed esattamente qual è la capacità di lavoro del dispositivo specifico?

Così possiamo vedere in questo momento, se dovessimo prendere questa limitazione di potenza massima ed estenderla fino in fondo alla linea gialla, allora, all'improvviso cosa troviamo?

Troviamo che la limitazione del guasto del MOSFET atterra a un livello molto basso, che è di valore molto inferiore rispetto alla regione di limitazione della potenza massima promossa sul datasheet (rappresentata dalla pendenza arancione).

O supponiamo di essere troppo conservatori e di dire alla gente che, ehi, guarda la regione inferiore della linea gialla è in realtà ciò che il FET può gestire al massimo. Bene, potremmo essere più sicuri con questa dichiarazione, ma allora potremmo aver sovracompensato la capacità di limitazione della potenza del dispositivo, il che potrebbe non essere ragionevole, giusto?

Questo è esattamente il motivo per cui questa regione di instabilità termica non può essere determinata o rivendicata con formule, ma deve essere effettivamente testata.

Limitazione della tensione di rottura

La quinta regione di limitazione nel grafico SOA è la limitazione della tensione di rottura, rappresentata dalla linea verticale nera. Che è semplicemente la massima capacità di gestione della tensione drain-source del FET.

Secondo il grafico, il dispositivo è dotato di un BVDSS da 100 volt, il che spiega perché questa linea verticale nera è applicata al segno Drain-Source di 100 volt.

Sarebbe interessante indagare un po 'di più sulla precedente nozione di instabilità termica. Per ottenere ciò, avremo bisogno di delineare una frase denominata 'coefficiente di temperatura'.

Coefficiente di temperatura MOSFET

Il coefficiente di temperatura del MOSFET può essere definito come la variazione di corrente sulla variazione della temperatura di giunzione del MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Pertanto, quando esaminiamo la curva delle caratteristiche di trasferimento di un MOSFET nella sua scheda tecnica, troviamo la corrente drain-source del FET rispetto alla tensione crescente gate-to-source del FET, troviamo anche che questa caratteristica è valutata a 3 diversi intervalli di temperatura.

Coefficiente di temperatura zero (ZTC)

Se guardiamo il punto rappresentato con il cerchio arancione, questo è ciò che indicheremmo come il coefficiente di temperatura zero del MOSFET .

A questo punto anche se la temperatura di giunzione del dispositivo continua ad aumentare non produce alcun miglioramento nel trasferimento di corrente attraverso il FET.

∂I_D/ ∂T_j = 0 , dove io_D è la corrente di drain del MOSFET, T_j rappresenta la temperatura di giunzione del dispositivo

Se guardiamo la regione al di sopra di questo coefficiente di temperatura zero (cerchio arancione), mentre ci spostiamo da -55 a 125 gradi Celsius, la corrente attraverso il FET inizia effettivamente a diminuire.

∂I_D/ ∂T_j <0

Questa situazione è indicativa che il MOSFET si sta davvero surriscaldando, ma la potenza dissipata attraverso il dispositivo sta diminuendo. Ciò implica che in realtà non esiste alcun pericolo di instabilità per il dispositivo e che il surriscaldamento del dispositivo potrebbe essere consentito e, a differenza dei BJT, non vi è alcun rischio di una situazione di fuga termica.

Tuttavia, a correnti nella regione al di sotto del coefficiente di temperatura zero (cerchio arancione), notiamo l'andamento, dove un aumento della temperatura del dispositivo, cioè attraverso il negativo da -55 a 125 gradi, provoca la capacità di trasferimento di corrente di il dispositivo per aumentare effettivamente.

∂I_D/ ∂T_j > 0

Ciò accade perché il coefficiente di temperatura del MOSFET è in questi punti maggiore di zero. Ma, d'altra parte un aumento della corrente attraverso il MOSFET, provoca un aumento proporzionale dell'RDS (on) (resistenza drain-source) del MOSFET e provoca anche un aumento proporzionale della temperatura corporea del dispositivo progressivamente, portando a un'ulteriore corrente trasferimento tramite il dispositivo. Quando il MOSFET entra in questa regione di un ciclo di feedback positivo, può sviluppare un'instabilità nel comportamento del MOSFET.

Tuttavia, nessuno può dire se la situazione di cui sopra potrebbe accadere o meno, e non esiste un design semplice per prevedere quando questo tipo di instabilità potrebbe sorgere all'interno del MOSFET.

Questo perché potrebbero esserci molti parametri coinvolti nel MOSFET a seconda della sua struttura di densità cellulare stessa, o della flessibilità del pacchetto per dissipare il calore in modo uniforme attraverso il corpo del MOSFET.

A causa di queste incertezze, fattori come la fuga termica o qualsiasi instabilità termica nelle regioni indicate devono essere confermati per ogni particolare MOSFET. No, questi attributi del MOSFET non possono essere indovinati semplicemente applicando l'equazione della massima perdita di potenza.

Perché SOA è così cruciale

Le cifre SOA possono essere estremamente utili nelle applicazioni MOSFET in cui il dispositivo viene utilizzato frequentemente nelle regioni di saturazione.

È utile anche in hot-swap o applicazioni controller Oring, dove diventa cruciale sapere esattamente quanta potenza il MOSFET sarà in grado di tollerare, facendo riferimento ai loro grafici SOA.

In pratica scoprirai che i valori dell'area operativa sicura dei MOSFET tendono ad essere molto utili per la maggior parte dei consumatori che si occupano di controllo del motore, inverter / convertitore o prodotti SMPS, dove il dispositivo viene solitamente utilizzato in condizioni di temperatura o sovraccarico estreme.

Fonti: Formazione MOSFET , Area operativa sicura