Memahami MOSFET Safe Operating Area atau SOA

Sekiranya anda tertanya-tanya atau bimbang dengan tepat berapa banyak daya yang boleh ditoleransi oleh MOSFET anda dalam keadaan yang melampau, atau dalam keadaan yang melampau, maka angka peranti SOA adalah tepat seperti yang anda harus perhatikan.

Dalam posting ini kita akan membincangkan secara komprehensif Kawasan Operasi Selamat, atau SOA, seperti yang terdapat di lembar data MOSFET.

Berikut ini adalah kawasan operasi selamat MOSFET atau grafik SOA yang biasanya dilihat di semua Instrumen Texas helaian data.

MOSFET SOA digambarkan sebagai magnitud yang menentukan kekuatan maksimum yang dapat dikendalikan oleh FET semasa ia beroperasi di kawasan tepu.

Sekilas grafik SOA yang diperbesar dapat dilihat pada gambar seterusnya di bawah.

Dalam grafik SOA di atas kita dapat melihat semua batasan dan batasan ini. Dalam grafik yang lebih mendalam, kami dapati batasan tambahan untuk jangka masa nadi individu yang berbeza. Garis-garis di dalam grafik ini dapat ditentukan melalui pengiraan atau pengukuran fizikal.

Dalam lembar data yang lebih awal dan lama, parameter ini dianggarkan dengan nilai yang dikira.

Walau bagaimanapun, biasanya disarankan agar parameter ini diukur secara praktikal. Sekiranya anda menilai mereka menggunakan formula, anda akhirnya dapat memperoleh nilai hipotesis yang secara harfiah jauh lebih besar daripada yang boleh ditoleransi oleh FET dalam aplikasi dunia nyata. Atau mungkin anda mungkin menurunkan (over-compensate) parameter ke tahap yang mungkin terlalu tenang, berbanding dengan apa yang sebenarnya dapat ditangani oleh FET.

Oleh itu, dalam perbincangan berikut, kita mempelajari parameter SOA yang dinilai melalui kaedah praktikal sebenar dan bukan dengan formula atau simulasi.

Mari mulakan dengan memahami apa itu mod tepu dan mod linier dalam FET.

Mod Linear vs Mode Ketepuan

Merujuk pada grafik di atas, mod linier adalah, didefinisikan sebagai wilayah, di mana RDS (aktif) atau rintangan sumber longkang dari FET konsisten.

Ini bermaksud, arus yang melewati FET berkadar langsung dengan bias drain-to-source melalui FET. Ia juga sering dikenali sebagai wilayah ohmik, kerana FET pada dasarnya bertindak serupa dengan perintang tetap.

Sekarang, jika kita mula meningkatkan voltan bias sumber longkang ke FET, akhirnya kita dapati FET beroperasi di wilayah yang dikenali sebagai wilayah tepu. Setelah operasi MOSFET dipaksa masuk ke kawasan tepu, arus (amp) yang bergerak melalui MOSFET merentasi longkang ke sumber tidak lagi bertindak balas terhadap kenaikan voltan bias saluran-ke-sumber.

Oleh itu, tanpa mengira berapa banyak anda meningkatkan voltan saliran, FET ini terus memindahkan tahap maksimum arus tetap melaluinya.

Satu-satunya cara anda dapat memanipulasi arus biasanya dengan mengubah voltan pintu-ke-sumber.

Walau bagaimanapun, keadaan ini nampaknya agak membingungkan, kerana ini biasanya merupakan deskripsi buku teks anda mengenai wilayah linear dan tepu. Sebelum ini kita mengetahui bahawa parameter ini sering disebut sebagai wilayah ohmik. Walaupun begitu, sebilangan orang sebenarnya menamakan ini sebagai kawasan linear. Mungkin, corak pemikirannya, ini kelihatan seperti garis lurus, jadi mesti lurus?

Sekiranya anda melihat orang yang membincangkan aplikasi pertukaran panas, mereka akan menyatakan, saya bekerja di kawasan linear. Tetapi itu pada dasarnya tidak sesuai dari segi teknologi.

Memahami MOSFET SOA

Sekarang kerana kita tahu apa itu wilayah tepu FET, kita sekarang dapat mengkaji grafik SOA kita secara terperinci. SOA boleh dibahagikan kepada 5 batasan individu. Mari belajar apa sebenarnya.

Batasan RDS (on)

Baris pertama dalam grafik yang berwarna kelabu, mewakili had RDS (on) dari FET. Dan ini adalah kawasan yang secara efektif menghadkan jumlah maksimum arus melalui FET kerana ketahanan pada peranti.

Dengan kata lain, ini menunjukkan ketahanan tertinggi pada MOSFET yang mungkin wujud pada suhu persimpangan maksimum MOSFET yang boleh diterima.

Kami memerhatikan bahawa garis kelabu ini mempunyai kemiringan positif yang berterusan, hanya kerana setiap titik dalam garis ini mempunyai jumlah rintangan ON yang sama, sesuai dengan hukum Ohm, yang menyatakan R sama dengan V dibahagi dengan I.

Batasan Semasa

Garis batasan seterusnya dalam grafik SOA mewakili had semasa. Di grafik, nilai nadi yang berbeza yang ditunjukkan oleh garis biru, hijau, ungu dapat dilihat, dibatasi pada 400 amp oleh garis hitam mendatar atas.

Bahagian mendatar pendek garis MERAH menunjukkan had pakej peranti, atau had arus berterusan (DC) FET, pada sekitar 200 amp.

Had Kuasa Maksimum

Batasan SOA ketiga adalah garis had kuasa maksimum MOSFET, yang diwakili oleh garis miring oren.

Seperti yang kita perhatikan garis ini membawa cerun tetap tetapi negatif. Ia tetap kerana setiap titik pada garis had kuasa SOA ini mempunyai daya tetap yang sama, yang diwakili oleh formula P = IV.

Oleh itu, dalam lengkung logaritmik SOA ini, ini menghasilkan cerun -1. Tanda negatif disebabkan oleh kenyataan bahawa aliran arus melalui MOSFET di sini berkurang apabila voltan sumber longkang meningkat.

Fenomena ini terutama disebabkan oleh ciri-ciri pekali negatif MOSFET yang menyekat arus melalui peranti ketika suhu persimpangannya meningkat.

Batasan Ketidakstabilan Termal

Seterusnya, had MOSFET keempat di kawasan operasi yang selamat ditunjukkan oleh garis miring kuning, yang mewakili had ketidakstabilan terma.

Di seberang wilayah SOA ini menjadi sangat penting untuk benar-benar mengukur kapasiti operasi peranti. Ini kerana wilayah ketidakstabilan terma ini tidak dapat diramalkan dengan cara yang tepat.

Oleh itu, kita secara praktikal perlu menganalisis MOSFET di kawasan ini untuk mengetahui di mana FET mungkin gagal, dan tepat apa kemampuan kerja peranti tertentu?

Oleh itu, kita dapat melihat sekarang, jika kita mengambil had kuasa maksimum ini, dan memanjangkannya hingga ke hujung garis kuning, tiba-tiba apa yang kita dapati?

Kami mendapati bahawa had kegagalan MOSFET berada pada tahap yang sangat rendah, yang nilainya jauh lebih rendah berbanding dengan kawasan had kuasa maksimum yang dipromosikan pada lembar data (diwakili oleh cerun oren).

Atau anggap kita kebetulan terlalu konservatif, dan memberitahu orang bahawa, hey lihat kawasan bawah garis kuning sebenarnya yang boleh ditangani FET pada tahap maksimum. Baiklah, kita mungkin berada di sisi paling selamat dengan pengisytiharan ini, tetapi kemudian kita mungkin memberi kelebihan keupayaan pembatasan kuasa peranti, yang mungkin tidak masuk akal, bukan?

Itulah sebabnya mengapa wilayah ketidakstabilan termal ini tidak dapat ditentukan atau dituntut dengan formula, tetapi sebenarnya mesti diuji.

Had Voltan Pecah

Kawasan had kelima dalam grafik SOA adalah had voltan pemecahan, yang diwakili oleh garis menegak hitam. Yang merupakan kapasiti pengendalian voltan sumber longkang maksimum FET.

Seperti pada grafik, peranti ini mempunyai BVDSS 100 volt, yang menjelaskan mengapa garis menegak hitam ini ditegakkan pada tanda Drain-Source 100 volt.

Sangat menarik untuk menyelidiki tanggapan awal mengenai ketidakstabilan terma sedikit lagi. Untuk mencapai ini, kita perlu menggariskan frasa yang disebut sebagai 'pekali suhu'.

Pekali Suhu MOSFET

Pekali suhu MOSFET dapat didefinisikan sebagai perubahan arus berbanding perubahan suhu persimpangan MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Oleh itu, apabila kita meneliti keluk ciri pemindahan MOSFET dalam lembar data, kita dapati arus pengaliran ke sumber FET berbanding peningkatan voltan pintu ke sumber FET, kita juga mendapati bahawa ciri ini dinilai pada 3 julat suhu yang berbeza.

Pekali Suhu Sifar (ZTC)

Sekiranya kita melihat titik yang ditunjukkan dengan bulatan oren, inilah yang akan kita nyatakan sebagai pekali suhu sifar MOSFET .

Pada tahap ini walaupun suhu persimpangan peranti terus meningkat tidak menghasilkan peningkatan dalam pemindahan semasa melalui FET.

∂Saya_D/ ∂T_j = 0 , di mana Saya_D adalah arus pengaliran MOSFET, T_j mewakili suhu persimpangan peranti

Sekiranya kita melihat kawasan di atas pekali suhu sifar ini (bulatan oren), ketika kita bergerak dari negatif -55 hingga 125 darjah Celsius, arus melalui FET sebenarnya mula menurun.

∂Saya_D/ ∂T_j <0

Keadaan ini menunjukkan bahawa MOSFET benar-benar semakin panas, tetapi kuasa yang hilang melalui peranti semakin rendah. Ini menyiratkan bahawa sebenarnya tidak ada bahaya ketidakstabilan untuk peranti ini, dan terlalu panas peranti mungkin dibenarkan, dan tidak seperti BJT tidak mungkin ada risiko situasi pelarian termal.

Walau bagaimanapun, pada arus di rantau ini di bawah pekali suhu sifar (bulatan oren), kita perhatikan arah aliran, di mana peningkatan suhu peranti, iaitu, di seberang negatif -55 hingga 125 darjah, menyebabkan kapasiti pemindahan semasa peranti untuk benar-benar meningkat.

∂Saya_D/ ∂T_j > 0

Ini berlaku kerana pekali suhu MOSFET berada pada titik-titik ini lebih tinggi daripada sifar. Tetapi, sebaliknya, peningkatan arus melalui MOSFET, menyebabkan kenaikan berkadar RDS (on) MOSFET (rintangan sumber longkang) secara proporsional dan juga menyebabkan kenaikan suhu badan peranti secara progresif, menyebabkan arus lebih jauh pindahkan melalui peranti. Apabila MOSFET masuk ke kawasan ini dengan gelung maklum balas positif, ia mungkin menimbulkan ketidakstabilan dalam tingkah laku MOSFET.

Walau bagaimanapun, tidak ada yang dapat mengetahui sama ada situasi di atas mungkin berlaku atau tidak, dan tidak ada reka bentuk yang mudah untuk meramalkan bila ketidakstabilan semacam ini mungkin timbul dalam MOSFET.

Ini kerana mungkin terdapat banyak parameter yang terlibat dengan MOSFET bergantung pada struktur ketumpatan selnya sendiri, atau fleksibiliti paket untuk menyebarkan haba secara merata ke seluruh badan MOSFET.

Oleh kerana ketidakpastian ini, faktor-faktor seperti pelarian terma atau ketidakstabilan termal di kawasan yang ditunjukkan mesti disahkan untuk setiap MOSFET tertentu. Tidak, atribut MOSFET ini tidak dapat ditebak hanya dengan menggunakan persamaan kehilangan kuasa maksimum.

Mengapa SOA sangat Penting

Angka SOA sangat berguna dalam aplikasi MOSFET di mana peranti ini sering dikendalikan di kawasan tepu.

Ia juga berguna dalam pertukaran panas atau aplikasi pengawal Oring, di mana menjadi penting untuk mengetahui dengan tepat berapa banyak daya yang dapat ditoleransi oleh MOSFET, dengan merujuk pada carta SOA mereka.

Secara praktikal anda akan dapati bahawa nilai kawasan operasi selamat MOSFET cenderung sangat berguna bagi kebanyakan pengguna yang berurusan dengan produk kawalan motor, penyongsang / penukar atau SMPS, di mana peranti ini biasanya dikendalikan dalam keadaan suhu yang melampau atau beban yang berlebihan.

Sumber: Latihan MOSFET , Kawasan Operasi Selamat