ทำความเข้าใจกับ MOSFET Safe Operating Area หรือ SOA

หากคุณสงสัยหรือกังวลว่า MOSFET ของคุณสามารถทนต่อพลังงานได้มากเพียงใดภายใต้สภาวะที่รุนแรงหรือภายใต้สถานการณ์ที่มีการกระจายตัวอย่างรุนแรงดังนั้นตัวเลข SOA ของอุปกรณ์ก็เป็นสิ่งที่คุณควรพิจารณา

ในโพสต์นี้เราจะพูดถึงพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยหรือ SOA อย่างละเอียดตามที่ปรากฏในแผ่นข้อมูล MOSFET

ต่อไปนี้คือพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยของ MOSFET หรือกราฟ SOA ซึ่งปกติจะเห็นได้ในทั้งหมด Texas Instruments แผ่นข้อมูล.

MOSFET SOA ถูกอธิบายว่าเป็นขนาดที่ระบุกำลังสูงสุดที่ FET สามารถจัดการได้ในขณะที่ทำงานในพื้นที่อิ่มตัว

การเหลือบขยายของกราฟ SOA สามารถดูได้ในภาพถัดไปด้านล่าง

ในกราฟ SOA ด้านบนเราจะเห็นข้อ จำกัด และขอบเขตเหล่านี้ทั้งหมด และลึกลงไปในกราฟเราพบข้อ จำกัด เพิ่มเติมสำหรับระยะเวลาการเต้นของชีพจรแต่ละรายการ และเส้นเหล่านี้ภายในกราฟสามารถกำหนดได้จากการคำนวณหรือการวัดทางกายภาพ

ในเอกสารข้อมูลก่อนหน้านี้และเก่ากว่าพารามิเตอร์เหล่านี้ถูกประมาณด้วยค่าที่คำนวณได้

อย่างไรก็ตามโดยปกติขอแนะนำให้วัดค่าพารามิเตอร์เหล่านี้ในทางปฏิบัติ หากคุณประเมินโดยใช้สูตรคุณอาจได้รับค่าสมมุติฐานซึ่งอาจใหญ่กว่าที่ FET สามารถทนได้ในแอปพลิเคชันในโลกแห่งความเป็นจริง หรือบางทีคุณอาจลดค่า (ชดเชยมากเกินไป) พารามิเตอร์ให้อยู่ในระดับที่อาจอ่อนลงเกินไปเมื่อเทียบกับสิ่งที่ FET สามารถจัดการได้

ดังนั้นในการอภิปรายต่อไปนี้เราได้เรียนรู้พารามิเตอร์ SOA ซึ่งได้รับการประเมินโดยวิธีการปฏิบัติจริงไม่ใช่โดยสูตรหรือการจำลอง

เริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจว่าโหมดอิ่มตัวและโหมดเชิงเส้นใน FET คืออะไร

Linear Mode เทียบกับ Saturation Mode

เมื่ออ้างถึงกราฟด้านบนโหมดเชิงเส้นถูกกำหนดให้เป็นพื้นที่ซึ่ง RDS (เปิด) หรือความต้านทานแหล่งระบายของ FET มีความสอดคล้องกัน

ซึ่งหมายความว่ากระแสที่ไหลผ่าน FET นั้นแปรผันตรงกับอคติจากท่อระบายน้ำไปยังต้นทางผ่าน FET มักเรียกอีกอย่างหนึ่งว่าภูมิภาคโอห์มมิกเนื่องจาก FET นั้นทำหน้าที่คล้ายกับตัวต้านทานคงที่

ตอนนี้ถ้าเราเริ่มเพิ่มแรงดันไบแอสของแหล่งระบายไปที่ FET ในที่สุดเราจะพบว่า FET ทำงานในพื้นที่ที่เรียกว่าภูมิภาคอิ่มตัว เมื่อการทำงานของ MOSFET ถูกบังคับให้อยู่ในบริเวณอิ่มตัวกระแส (แอมป์) ที่เคลื่อนที่ผ่าน MOSFET ข้ามท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิดจะไม่ตอบสนองต่อการเพิ่มแรงดันไบอัสจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งที่มาอีกต่อไป

ดังนั้นไม่ว่าคุณจะเพิ่มแรงดันไฟฟ้าท่อระบายน้ำมากแค่ไหน FET นี้จะยังคงถ่ายโอนระดับกระแสสูงสุดคงที่ผ่านมัน

วิธีเดียวที่คุณสามารถจัดการกระแสได้โดยปกติคือการเปลี่ยนแรงดันเกต - ทู - ซอร์ส

อย่างไรก็ตามสถานการณ์นี้ดูเหมือนจะทำให้งงเล็กน้อยเนื่องจากโดยทั่วไปแล้วคำอธิบายในตำราเรียนของคุณเกี่ยวกับขอบเขตเชิงเส้นและความอิ่มตัวของสี ก่อนหน้านี้เราได้เรียนรู้ว่าพารามิเตอร์นี้มักเรียกว่าภูมิภาคโอห์มมิก อย่างไรก็ตามมีเพียงไม่กี่คนที่ตั้งชื่อนี้ว่าพื้นที่เชิงเส้น บางทีความคิดก็คือมันดูเหมือนเส้นตรงดังนั้นมันจะต้องเป็นเส้นตรง?

หากคุณสังเกตเห็นผู้คนพูดคุยเกี่ยวกับแอปพลิเคชัน hot-swap พวกเขาจะแสดงออกว่าฉันกำลังทำงานในพื้นที่เชิงเส้น แต่โดยพื้นฐานแล้วเป็นเรื่องที่ไม่เหมาะสมทางเทคโนโลยี

ทำความเข้าใจกับ MOSFET SOA

เมื่อเรารู้ว่าขอบเขตความอิ่มตัวของ FET คืออะไรเราจึงสามารถตรวจสอบกราฟ SOA ของเราโดยละเอียดได้ SOA สามารถแบ่งออกเป็น 5 ข้อ จำกัด มาเรียนรู้กันว่ามันคืออะไรกันแน่

ข้อ จำกัด RDS (บน)

บรรทัดแรกในกราฟซึ่งเป็นสีเทาแสดงถึงข้อ จำกัด RDS (on) ของ FET และนี่คือพื้นที่ที่ จำกัด ปริมาณกระแสไฟฟ้าสูงสุดผ่าน FET อย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากความต้านทานต่อของอุปกรณ์

กล่าวอีกนัยหนึ่งก็คือแสดงถึงความต้านทานสูงสุดของ MOSFET ที่อาจมีอยู่ที่อุณหภูมิการเชื่อมต่อสูงสุดที่ยอมรับได้ของ MOSFET

เราสังเกตว่าเส้นสีเทานี้มีความชันเอกภาพคงที่เป็นบวกเพียงเพราะแต่ละจุดภายในเส้นนี้มีค่าความต้านทาน ON เท่ากันตามกฎของโอห์มซึ่งระบุว่า R เท่ากับ V หารด้วย I

ข้อ จำกัด ในปัจจุบัน

เส้นข้อ จำกัด ถัดไปในกราฟ SOA แสดงถึงข้อ จำกัด ในปัจจุบัน บนกราฟสามารถมองเห็นค่าพัลส์ต่างๆที่ระบุด้วยเส้นสีน้ำเงินสีเขียวสีม่วงซึ่ง จำกัด ไว้ที่ 400 แอมป์โดยเส้นสีดำแนวนอนด้านบน

ส่วนแนวนอนสั้น ๆ ของเส้นสีแดงแสดงถึงขีด จำกัด ของแพ็คเกจของอุปกรณ์หรือขีด จำกัด กระแสไฟฟ้าต่อเนื่อง (DC) ของ FET ที่ประมาณ 200 แอมป์

ขีด จำกัด พลังงานสูงสุด

ข้อ จำกัด SOA ที่สามคือเส้น จำกัด กำลังสูงสุดของ MOSFET ซึ่งแสดงด้วยเส้นลาดเอียงสีส้ม

ดังที่เราสังเกตว่าเส้นนี้มีความชันคงที่ แต่เป็นค่าลบ ค่าคงที่เนื่องจากทุกจุดบนเส้นขีด จำกัด กำลังของ SOA นี้มีกำลังคงที่เท่ากันแสดงโดยสูตร P = IV

ดังนั้นในเส้นโค้งลอการิทึม SOA นี้จะสร้างความชัน -1 เครื่องหมายลบเกิดจากการที่กระแสไหลผ่าน MOSFET ที่นี่ลดลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งระบายเพิ่มขึ้น

ปรากฏการณ์นี้มีสาเหตุหลักมาจากลักษณะสัมประสิทธิ์เชิงลบของ MOSFET ซึ่ง จำกัด กระแสผ่านอุปกรณ์เมื่ออุณหภูมิทางแยกเพิ่มขึ้น

ข้อจำกัดความไม่เสถียรทางความร้อน

ถัดไปข้อ จำกัด MOSFET ประการที่สี่ในพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยจะแสดงด้วยเส้นลาดสีเหลืองซึ่งแสดงถึงข้อ จำกัด ด้านความไม่เสถียรทางความร้อน

อยู่ในภูมิภาคนี้ของ SOA ซึ่งมีความสำคัญมากในการวัดความสามารถในการทำงานของอุปกรณ์ เนื่องจากไม่สามารถคาดการณ์ขอบเขตความไม่เสถียรทางความร้อนนี้ได้ด้วยวิธีการใด ๆ ที่เหมาะสม

ดังนั้นเราจึงจำเป็นต้องวิเคราะห์ MOSFET ในพื้นที่นี้เพื่อค้นหาว่า FET อาจล้มเหลวตรงไหนและความสามารถในการทำงานของอุปกรณ์เฉพาะคืออะไร?

ดังนั้นเราจะเห็นได้ในตอนนี้ว่าถ้าเราใช้ขีด จำกัด กำลังสูงสุดนี้และขยายไปจนสุดที่ด้านล่างของเส้นสีเหลืองทันใดนั้นเราจะพบอะไร?

เราพบว่าข้อ จำกัด ความล้มเหลวของ MOSFET อยู่ในระดับที่ต่ำมากซึ่งมีมูลค่าต่ำกว่ามากเมื่อเทียบกับขอบเขตการ จำกัด กำลังสูงสุดที่เลื่อนตำแหน่งบนแผ่นข้อมูล (แสดงโดยความชันสีส้ม)

หรือสมมติว่าเราเป็นคนหัวโบราณมากเกินไปและบอกคนอื่นว่าเฮ้ดูบริเวณด้านล่างของเส้นสีเหลืองคือสิ่งที่ FET สามารถจัดการได้สูงสุด เราอาจอยู่ในด้านที่ปลอดภัยที่สุดกับคำประกาศนี้ แต่เราอาจชดเชยขีด จำกัด พลังงานของอุปกรณ์มากเกินไปซึ่งอาจไม่สมเหตุสมผลใช่ไหม?

นั่นเป็นสาเหตุที่ไม่สามารถระบุหรืออ้างสิทธิ์ขอบเขตความไม่เสถียรทางความร้อนนี้ด้วยสูตรได้ แต่ต้องผ่านการทดสอบจริง

ข้อ จำกัด แรงดันพังทลาย

ขอบเขตข้อ จำกัด ประการที่ห้าในกราฟ SOA คือข้อ จำกัด แรงดันไฟฟ้าแยกย่อยซึ่งแสดงด้วยเส้นแนวตั้งสีดำ ซึ่งเป็นเพียงความสามารถในการจัดการแรงดันไฟฟ้าจากแหล่งระบายสูงสุดของ FET

ตามกราฟอุปกรณ์มี BVDSS 100 โวลต์ซึ่งอธิบายว่าเหตุใดจึงบังคับใช้เส้นแนวตั้งสีดำที่เครื่องหมาย Drain-Source 100 โวลต์

มันจะเป็นการกระตุ้นที่จะตรวจสอบแนวคิดก่อนหน้านี้เกี่ยวกับความไม่เสถียรทางความร้อนให้มากขึ้นอีกเล็กน้อย เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้เราจะต้องร่างวลีที่เรียกว่า 'ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ'

MOSFET ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ MOSFET สามารถกำหนดได้ว่าเป็นการเปลี่ยนแปลงของกระแสมากกว่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิทางแยกของ MOSFET

Tc = ∂ID / ∂Tj

ดังนั้นเมื่อเราตรวจสอบเส้นโค้งลักษณะการถ่ายโอนของ MOSFET ในแผ่นข้อมูลเราจะพบกระแสระบายไปยังแหล่งที่มาของ FET เทียบกับแรงดันเกต - ทู - ต้นทางที่เพิ่มขึ้นเรายังพบว่าคุณสมบัตินี้ได้รับการประเมินที่ 3 ช่วงอุณหภูมิที่แตกต่างกัน

ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นศูนย์ (ZTC)

หากเราดูจุดที่แสดงด้วยวงกลมสีส้มนี่คือสิ่งที่เราระบุว่าเป็น ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นศูนย์ของ MOSFET .

ณ จุดนี้แม้ว่าอุณหภูมิทางแยกของอุปกรณ์จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ แต่ก็ไม่มีการปรับปรุงใด ๆ ในการถ่ายโอนกระแสผ่าน FET

∂I_ง/ ∂T_ญ = 0 , ที่ไหน ผม_ง คือกระแสระบายของ MOSFET ที_ญ แสดงถึงอุณหภูมิทางแยกของอุปกรณ์

ถ้าเราดูพื้นที่ที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นศูนย์ (วงกลมสีส้ม) เมื่อเราเคลื่อนที่จาก -55 เป็น 125 องศาเซลเซียสกระแสไฟฟ้าผ่าน FET จะเริ่มลดลง

∂I_ง/ ∂T_ญ <0

สถานการณ์นี้บ่งชี้ว่า MOSFET กำลังร้อนขึ้นจริง ๆ แต่พลังงานที่กระจายไปทั่วอุปกรณ์จะลดต่ำลง ซึ่งหมายความว่าไม่มีอันตรายจากความไม่เสถียรของอุปกรณ์และอาจอนุญาตให้อุปกรณ์มีความร้อนสูงเกินไปได้และไม่เหมือนกับ BJT ที่อาจไม่มีความเสี่ยงจากสถานการณ์การระบายความร้อน

อย่างไรก็ตามที่กระแสในบริเวณที่ต่ำกว่าค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิศูนย์ (วงกลมสีส้ม) เราสังเกตเห็นแนวโน้มซึ่งการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของอุปกรณ์นั่นคือในช่วงลบ -55 ถึง 125 องศาทำให้ความสามารถในการถ่ายเทกระแสของ อุปกรณ์ที่จะเพิ่มขึ้นจริง

∂I_ง/ ∂T_ญ > 0

สิ่งนี้เกิดขึ้นเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของ MOSFET ที่จุดเหล่านี้สูงกว่าศูนย์ แต่ในทางกลับกันการเพิ่มขึ้นของกระแสผ่าน MOSFET ทำให้ RDS (on) ของ MOSFET เพิ่มขึ้นตามสัดส่วน (ความต้านทานต่อแหล่งระบาย) และยังทำให้อุณหภูมิร่างกายของอุปกรณ์เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนซึ่งนำไปสู่กระแสต่อไป ถ่ายโอนผ่านอุปกรณ์ เมื่อ MOSFET เข้าสู่ส่วนนี้ของลูปข้อเสนอแนะเชิงบวกอาจทำให้เกิดความไม่เสถียรในพฤติกรรมของ MOSFET

อย่างไรก็ตามไม่มีใครสามารถบอกได้ว่าสถานการณ์ข้างต้นอาจเกิดขึ้นหรือไม่และไม่มีการออกแบบที่ง่ายสำหรับการคาดการณ์เมื่อความไม่แน่นอนแบบนี้อาจเกิดขึ้นภายใน MOSFET

เนื่องจากอาจมีพารามิเตอร์มากมายที่เกี่ยวข้องกับ MOSFET ขึ้นอยู่กับโครงสร้างความหนาแน่นของเซลล์เองหรือความยืดหยุ่นของบรรจุภัณฑ์ในการกระจายความร้อนอย่างเท่าเทียมกันผ่านตัว MOSFET

เนื่องจากความไม่แน่นอนเหล่านี้จึงต้องมีการยืนยันปัจจัยต่างๆเช่นการระบายความร้อนหรือความไม่เสถียรของความร้อนในพื้นที่ที่ระบุสำหรับ MOSFET แต่ละตัว ไม่คุณสมบัติเหล่านี้ของ MOSFET ไม่สามารถคาดเดาได้เพียงแค่ใช้สมการการสูญเสียกำลังสูงสุด

ทำไม SOA จึงสำคัญมาก

ตัวเลข SOA มีประโยชน์อย่างยิ่งในแอปพลิเคชัน MOSFET ที่อุปกรณ์ทำงานบ่อยครั้งในพื้นที่อิ่มตัว

นอกจากนี้ยังมีประโยชน์ใน แลกเปลี่ยนความร้อน หรือแอปพลิเคชันคอนโทรลเลอร์ของ Oring ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบว่า MOSFET สามารถทนต่อพลังงานได้มากเพียงใดโดยอ้างอิงจากแผนภูมิ SOA

ในทางปฏิบัติคุณจะพบว่าค่าพื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัยของ MOSFET มีแนวโน้มที่จะเป็นประโยชน์อย่างมากสำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่ที่เกี่ยวข้องกับการควบคุมมอเตอร์อินเวอร์เตอร์ / คอนเวอร์เตอร์หรือผลิตภัณฑ์ SMPS ซึ่งโดยปกติแล้วอุปกรณ์จะทำงานในอุณหภูมิที่สูงหรือเกิน

แหล่งที่มา: การฝึกอบรม MOSFET , พื้นที่ปฏิบัติการที่ปลอดภัย