Pochopenie bezpečnej operačnej oblasti MOSFET alebo SOA

Pochopenie bezpečnej operačnej oblasti MOSFET alebo SOA

Ak vás zaujíma alebo sa obávate, koľko energie váš MOSFET znesie v extrémnych podmienkach alebo v extrémnych disipatívnych situáciách, potom sú hodnoty SOA zariadenia presne to, na čo by ste sa mali pozerať.

V tomto príspevku sa budeme komplexne zaoberať bezpečnou prevádzkovou oblasťou alebo SOA, ako sa ukazuje v údajovom liste MOSFET.



Nasleduje bezpečná pracovná oblasť MOSFET alebo graf SOA, ktoré sa bežne vyskytujú vo všetkých Texas Instruments údajové listy.



MOSFET SOA sa popisuje ako veľkosť, ktorá určuje maximálny výkon, ktorý môže FET zvládnuť, keď pracuje v oblasti nasýtenia.

Zväčšený pohľad na graf SOA je možné vidieť na nasledujúcom obrázku nižšie.



V grafe SOA vyššie vidíme všetky tieto obmedzenia a hranice. A ďalej hlbšie v grafe nájdeme ďalšie obmedzenia pre mnoho rôznych trvaní jednotlivých impulzov. A tieto čiary vo vnútri grafu je možné určiť pomocou výpočtov alebo fyzických meraní.

V starších a starších údajových listoch sa tieto parametre odhadovali pomocou vypočítaných hodnôt.

Normálne sa však odporúča, aby sa tieto parametre merali prakticky. Ak ich vyhodnotíte pomocou vzorcov, mohli by ste nakoniec získať hypotetické hodnoty, ktoré môžu byť doslova oveľa väčšie, ako môže FET tolerovať v reálnej aplikácii. Alebo možno znížite (nadmerne kompenzujete) parametre na úroveň, ktorá môže byť príliš tlmená, v porovnaní s tým, s čím si FET v skutočnosti poradí.



V nasledujúcich diskusiách sa teda dozvedáme parametre SOA, ktoré sa vyhodnocujú pomocou skutočných praktických metód a nie pomocou vzorcov alebo simulácií.

Začnime tým, že pochopíme, čo je režim saturácie a lineárny režim v FET.

Lineárny režim vs režim sýtosti

S odkazom na vyššie uvedený graf je lineárny režim definovaný ako oblasť, v ktorej je konzistentný odpor RDS (zapnutý) alebo odpor FET voči odtokovému zdroju.

To znamená, že prúd prechádzajúci cez FET je priamo úmerný predpätiu odtoku k zdroju cez FET. Často sa tiež nazýva ohmická oblasť, pretože FET v podstate funguje podobne ako pevný rezistor.

Teraz, keď začneme zvyšovať predpätie napätia odtokového zdroja na FET, nakoniec nájdeme, že FET pracuje v oblasti známej ako oblasť nasýtenia. Akonáhle je operácia MOSFET prinútená do oblasti nasýtenia, prúd (ampéry) pohybujúci sa cez MOSFET cez odtok k zdroju už nereaguje na zvýšenie predpätia odtoku k zdroju.

Preto bez ohľadu na to, o koľko zvýšite odtokové napätie, tento FET naďalej prenáša pevnú maximálnu úroveň prúdu cez ňu.

Jediným spôsobom, ako môžete manipulovať s prúdom, je zvyčajne zmena napätia medzi zdrojom a zdrojom.

Táto situácia sa však javí ako mierne záhadná, pretože zvyčajne sa jedná o vaše lineárne popisy lineárnej a saturačnej oblasti. Predtým sme sa dozvedeli, že tento parameter sa často nazýva ohmická oblasť. Niekoľko ľudí to však v skutočnosti nazýva lineárna oblasť. Možno je to tak, že to vyzerá ako rovná čiara, takže to musí byť lineárne?

Ak si všimnete, že ľudia diskutujú o hot-swapových aplikáciách, chystajú sa vyjadriť, pracujem v lineárnej oblasti. Ale to je v podstate technologicky nevhodné.

Pochopenie MOSFET SOA

Teraz, keď vieme, čo je oblasť saturácie FET, môžeme si teraz podrobne prezrieť náš graf SOA. SOA je možné rozdeliť do 5 individuálnych obmedzení. Poďme sa naučiť, čo to vlastne je.

Obmedzenie RDS (zapnuté)

Prvý riadok v grafe, ktorý má šedú farbu, predstavuje RDS (zapnuté) obmedzenie FET. A toto je oblasť, ktorá efektívne obmedzuje maximálne množstvo prúdu cez FET z dôvodu odporu zariadenia.

Inými slovami, označuje to najvyššiu hodnotu odporu MOSFET, ktorá môže existovať pri maximálnej tolerovateľnej spojovacej teplote MOSFET.

Pozorujeme, že táto sivá čiara má pozitívny konštantný sklon jednoty, jednoducho preto, že každý bod v tejto čiare má identické množstvo odporu ON, v súlade s Ohmovým zákonom, podľa ktorého sa R ​​rovná V delené I.

Súčasné obmedzenie

Nasledujúci riadok obmedzenia v grafe SOA predstavuje aktuálne obmedzenie. Hore na grafe sú viditeľné rôzne hodnoty impulzu označené modrou, zelenou, fialovou čiarou, ktoré sú obmedzené hornou vodorovnou čiernou čiarou na 400 ampérov.

Krátka vodorovná časť ČERVENÉHO vedenia označuje limit balenia prístroja alebo limit kontinuálneho prúdu (DC) FET pri hodnote približne 200 ampérov.

Maximálne obmedzenie výkonu

Tretie obmedzenie SOA je čiara obmedzenia maximálneho výkonu MOSFET, predstavovaná oranžovou šikmou čiarou.

Ako si všimneme, táto čiara má konštantný sklon, ale negatívny. Je konštantná, pretože každý bod na tomto limite výkonu SOA má rovnaký konštantný výkon, ktorý predstavuje vzorec P = IV.

Preto v tejto logaritmickej krivke SOA generuje sklon -1. Záporné znamienko je spôsobené skutočnosťou, že tu preteká prúd cez MOSFET so zvyšujúcim sa napätím odtokového zdroja.

Tento jav je primárne spôsobený negatívnymi charakteristikami koeficientu MOSFET, ktorý obmedzuje prúd cez zariadenie so zvyšovaním teploty spoja.

Obmedzenie tepelnej nestability

Ďalej je štvrté obmedzenie MOSFET v celej jeho bezpečnej prevádzkovej oblasti indikované žltou šikmou čiarou, ktorá predstavuje obmedzenie tepelnej nestability.

Práve v tejto oblasti SOA sa stáva skutočne rozhodujúcim pre skutočné meranie prevádzkovej kapacity zariadenia. Je to preto, že túto oblasť tepelnej nestability nie je možné predpovedať žiadnymi vhodnými prostriedkami.

Preto v tejto oblasti potrebujeme prakticky analyzovať MOSFET, aby sme zistili, kde môže FET zlyhať a aká je presná pracovná schopnosť konkrétneho zariadenia?

Takže teraz môžeme vidieť, že ak by sme využili toto maximálne obmedzenie výkonu a rozšírili ho úplne dole v spodnej časti žltej čiary, potom zrazu to, čo nájdeme?

Zistili sme, že obmedzenie zlyhania MOSFET pristáva na veľmi nízkej úrovni, ktorá má omnoho nižšiu hodnotu v porovnaní s oblasťou obmedzenia maximálneho výkonu propagovanou v údajovom liste (predstavovaná oranžovým sklonom).

Alebo predpokladajme, že sme príliš konzervatívni a povedzme ľuďom, že hej, spodná časť žltej čiary je vlastne to, čo FET zvládne na maximum. Možno budeme s touto deklaráciou na najbezpečnejšej strane, ale potom by sme mohli nadmerne kompenzovať obmedzenie napájania zariadenia, čo nemusí byť rozumné, však?

To je presne dôvod, prečo túto oblasť tepelnej nestability nemožno určiť alebo nárokovať pomocou vzorcov, ale musí sa skutočne otestovať.

Obmedzenie poruchového napätia

Piata oblasť obmedzenia v grafe SOA je obmedzenie prierazného napätia, predstavované čiernou zvislou čiarou. Čo je iba maximálna kapacita FET na manipuláciu s napäťovým zdrojom.

Podľa grafu obsahuje zariadenie 100-voltový BVDSS, čo vysvetľuje, prečo je táto čierna zvislá čiara vynucovaná pri 100 voltoch značky Drain-Source.

Bolo by zaujímavé preskúmať predchádzajúcu predstavu o tepelnej nestabilite o niečo viac. Aby sme to dosiahli, budeme musieť načrtnúť frázu označovanú ako „teplotný koeficient“.

MOSFET teplotný koeficient

Teplotný koeficient MOSFET možno definovať ako zmenu prúdu v priebehu zmeny teploty spoja MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Preto keď skúmame krivku prenosových charakteristík MOSFET v jeho údajovom liste, nájdeme prúd FET odtoku k zdroju oproti zvyšujúcemu sa napätiu FET od brány k zdroju, tiež zistíme, že táto charakteristika sa hodnotí pri 3 rôzne teplotné rozsahy.

Nulový teplotný koeficient (ZTC)

Ak sa pozrieme na bod znázornený oranžovým kruhom, označili by sme to ako nulový teplotný koeficient MOSFET .

V tomto okamihu, aj keď sa teplota spoja zariadenia neustále zvyšuje, neprodukuje žiadne zlepšenie prenosu prúdu cez FET.

„JaD/ ∂Tj = 0 , kde JaD je odtokový prúd MOSFET, Tj predstavuje teplotu spojenia zariadenia

Ak sa pozrieme na oblasť nad týmto nulovým teplotným koeficientom (oranžový kruh), keď sa pohybujeme od záporných -55 do 125 stupňov Celzia, prúd cez FET skutočne začne klesať.

„JaD/ ∂Tj <0

Táto situácia naznačuje, že MOSFET sa skutočne otepľuje, ale výkon rozptýlený cez zariadenie sa znižuje. To znamená, že v skutočnosti neexistuje nebezpečenstvo nestability zariadenia a jeho prehriatie môže byť prípustné. Na rozdiel od BJT pravdepodobne nehrozí nebezpečenstvo úniku tepla.

Avšak pri prúdoch v oblasti pod nulovým teplotným koeficientom (oranžový kruh) si všimneme trend, keď zvýšenie teploty prístroja, to znamená cez záporných -55 až 125 stupňov, spôsobí prenosovú kapacitu prúdu zariadenie skutočne zvýšiť.

„JaD/ ∂Tj > 0

Stáva sa to kvôli skutočnosti, že teplotný koeficient MOSFET je v týchto bodoch vyšší ako nula. Ale na druhej strane zvýšenie prúdu cez MOSFET spôsobí úmerné zvýšenie RDS (zapnuté) MOSFETu (odpor odtokového zdroja) a tiež spôsobí postupné úmerné zvýšenie telesnej teploty prístroja, čo vedie k ďalšiemu prúdeniu prenos cez zariadenie. Keď sa MOSFET dostane do tejto oblasti slučky pozitívnej spätnej väzby, môže to spôsobiť nestabilitu v správaní MOSFET.

Nikto však nedokáže zistiť, či sa uvedená situácia môže alebo nemôže stať, a neexistuje jednoduchý návrh predpovedania, kedy by tento druh nestability mohol nastať v rámci MOSFET.

Je to preto, že s MOSFET môže byť veľa parametrov v závislosti od samotnej štruktúry jeho bunkovej hustoty alebo pružnosti obalu na rovnomerné odvádzanie tepla cez celé telo MOSFET.

Kvôli týmto neistotám musia byť pre každý konkrétny MOSFET potvrdené faktory ako tepelný únik alebo akákoľvek tepelná nestabilita v uvedených oblastiach. Nie, tieto atribúty MOSFET nemožno jednoducho uhádnuť uplatnením rovnice maximálnej straty výkonu.

Prečo je SOA taká zásadná

Údaje SOA môžu byť kriticky užitočné v aplikáciách MOSFET, kde je zariadenie často prevádzkované v oblastiach nasýtenia.

Je to užitočné aj v hot-swap alebo aplikácie Oringovho radiča, kde je rozhodujúce presne vedieť, aký výkon bude MOSFET tolerovať, a to podľa ich grafov SOA.

Prakticky zistíte, že hodnoty bezpečnej prevádzkovej oblasti MOSFET majú tendenciu byť veľmi užitočné pre väčšinu spotrebiteľov zaoberajúcich sa riadením motorov, meničmi / prevodníkmi alebo výrobkami SMPS, kde je zariadenie obvykle prevádzkované v podmienkach extrémnej teploty alebo preťaženia.

Zdroje: Školenie MOSFET , Bezpečný prevádzkový priestor




Dvojica: Ako funguje IC LM337: Dátový list, aplikačné obvody Ďalej: Sinewave invertorový obvod triedy D.