Pag-unawa sa MOSFET Safe Operating Area o SOA

Kung nagtataka ka o nag-aalala tungkol sa tiyak kung magkano ang lakas na maaaring tiisin ng iyong MOSFET sa ilalim ng matinding mga kondisyon, o sa ilalim ng matinding mga sitwasyon na nagkakalat, kung gayon ang mga numero ng SOA ng aparato ay eksakto kung ano ang dapat mong tingnan.

Sa post na ito, komprehensibong tatalakayin namin ang Ligtas na Operating Area, o ang SOA, tulad ng paglabas nito sa MOSFET datasheet.

Ang sumusunod ay ang ligtas na operating area ng MOSFET o ang SOA graph na karaniwang nakikita sa lahat Mga Instrumentong Texas mga datasheet

Ang MOSFET SOA ay inilarawan bilang ang lakas na tumutukoy sa maximum na lakas na maaaring hawakan ng FET habang ito ay tumatakbo sa rehiyon ng saturation.

Ang pinalaki na sulyap ng SOA graph ay makikita sa susunod na imahe sa ibaba.

Sa SOA graph sa itaas nagagawa naming makita ang lahat ng mga limitasyon at hangganan na ito. At higit na malalim sa grap na nakakakita kami ng mga karagdagang limitasyon para sa maraming magkakaibang tagal ng pulso. At ang mga linyang ito sa loob ng grap, ay maaaring matukoy alinman sa pamamagitan ng mga kalkulasyon o pisikal na sukat.

Sa mas maaga at mas matandang mga datasheet, ang mga parameter na ito ay tinantya na may mga nakalkulang halaga.

Gayunpaman, karaniwang inirerekumenda na ang mga parameter na ito ay praktikal na sinusukat. Kung susuriin mo ang mga ito gamit ang mga pormula, maaari kang makakuha ng mga halagang mapagpapalagay na maaaring literal na mas malaki kaysa sa maaaring tiisin ng FET sa tunay na aplikasyon ng mundo. O marahil maaari mong derate (labis na magbayad) ang mga parameter sa isang antas na maaaring napapailalim, na may kaugnayan sa kung ano talaga ang makikitungo ng FET.

Kaya sa aming mga sumusunod na talakayan natututunan namin ang mga parameter ng SOA na sinusuri sa pamamagitan ng totoong praktikal na pamamaraan at hindi sa pamamagitan ng mga formula o simulation.

Magsimula tayo sa pamamagitan ng pag-unawa kung ano ang saturation mode at linear mode sa FETs.

Linear Mode vs Mode ng saturation

Sumangguni sa nasa itaas na grap, ang linear mode ay, tinukoy bilang rehiyon, kung saan ang RDS (on) o ang paglaban ng source-drain ng FET ay pare-pareho.

Nangangahulugan ito, ang kasalukuyang pagdaan sa FET ay direktang proporsyonal sa bias na alisan ng tubig patungo sa FET. Ito ay madalas na kilala rin bilang rehiyon ng ohmic, dahil ang FET ay mahalagang umaakma katulad ng isang nakapirming risistor.

Ngayon, kung sinisimulan nating taasan ang boltahe ng bias na mapagkukunan ng alisan ng tubig sa FET, sa kalaunan ay matatagpuan namin ang FET na tumatakbo sa isang rehiyon na kilala bilang rehiyon ng saturation. Sa sandaling ang operasyon ng MOSFET ay sapilitang sa rehiyon ng saturation, ang kasalukuyang (amps) na lumilipat sa pamamagitan ng MOSFET sa buong alisan ng tubig upang mapagkukunan ay hindi na tumutugon sa pagtaas ng boltahe na bias na alisan ng tubig.

Samakatuwid anuman ang pagtaas ng boltahe ng alisan ng tubig, ang FET na ito ay patuloy na naglilipat ng isang nakapirming maximum na antas ng kasalukuyang sa pamamagitan nito.

Ang tanging paraan lamang kung saan mo magagawang manipulahin ang kasalukuyang ay karaniwang sa pamamagitan ng pag-iiba ng boltahe hanggang sa mapagkukunan na pinagmulan.

Gayunpaman, ang sitwasyong ito ay lilitaw na medyo nakakaguluhan, dahil sa pangkalahatan ito ang iyong mga paglalarawan ng aklat ng rehiyon ng linear at saturation na rehiyon. Dati natutunan namin na ang parameter na ito ay madalas na tinutukoy bilang ang rehiyon ng ohmic. Gayunpaman ang ilang mga tao ay talagang pinangalanan ito bilang linear na rehiyon. Marahil, ang pag-iisip ay, mabuti, ito ay mukhang isang tuwid na linya, kaya dapat itong maging linear?

Kung napansin mo ang mga tao na tumatalakay sa mga aplikasyon ng hot-swap, magpapahayag sila, mabuti, nagtatrabaho ako sa isang linear na rehiyon. Ngunit mahalagang iyon ay hindi naaangkop sa teknolohiya.

Pag-unawa sa MOSFET SOA

Ngayon dahil alam namin kung ano ang isang rehiyon ng saturation ng FET, maaari na nating suriin ang detalye ng aming SOA graph. Ang SOA ay maaaring hatiin sa 5 indibidwal na mga limitasyon. Alamin natin kung ano talaga sila.

RDS (sa) Limitasyon

Ang unang linya sa grap na may kulay-abo na kulay, ay kumakatawan sa RDS (sa) limitasyon ng FET. At ito ang rehiyon na mabisang nililimitahan ang maximum na dami ng kasalukuyang sa pamamagitan ng FET sa account ng on-paglaban ng aparato.

Sa madaling salita, ipinapahiwatig nito ang pinakamataas sa paglaban ng MOSFET na maaaring umiiral sa maximum na matatagalan na temperatura ng junction ng MOSFET.

Napagmasdan namin na ang kulay-abo na linya na ito ay may positibong pare-parehong slope ng pagkakaisa, dahil lamang sa bawat punto sa loob ng linyang ito ay nagtataglay ng magkaparehong halaga ng ON paglaban, alinsunod sa batas ng Ohm, na nagsasaad ng R ay katumbas ng V na hinati ng I.

Kasalukuyang Limitasyon

Ang susunod na linya ng limitasyon sa SOA graph ay kumakatawan sa kasalukuyang limitasyon. Hanggang sa grap, ang iba't ibang mga halaga ng pulso na ipinahiwatig ng asul, berde, mga linya ng lila ay maaaring makita, limitado sa 400 amps ng itaas na pahalang na itim na linya.

Ang maikling pahalang na seksyon ng linya ng RED ay nagpapahiwatig ng limitasyon ng pakete ng aparato, o ang tuluy-tuloy na kasalukuyang limit (DC) ng FET, sa paligid ng 200 amps.

Maximum na Limitasyon ng Kuryente

Ang pangatlong limitasyon ng SOA ay ang maximum na linya ng limitasyon ng kuryente ng MOSFET, na kinakatawan ng linya ng kahel na sloping.

Tulad ng napansin namin ang linyang ito ay nagdadala ng isang pare-pareho na slope ngunit isang negatibong. Ito ay pare-pareho dahil ang bawat punto sa linya ng limitasyong kapangyarihan ng SOA na ito ay nagdadala ng parehong pare-pareho na lakas, na kinakatawan ng pormulang P = IV.

Samakatuwid, sa SOA logarithmic curve na ito, bumubuo ito ng isang slope ng -1. Ang negatibong pag-sign ay dahil sa ang katunayan na ang kasalukuyang daloy sa pamamagitan ng MOSFET dito ay nababawasan habang tumataas ang boltahe na pinagmulan ng alisan ng tubig.

Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay pangunahing sanhi ng mga negatibong katangian ng koepisyent ng MOSFET na pumipigil sa kasalukuyan sa pamamagitan ng aparato habang tumataas ang temperatura ng kantong ito.

Limitasyon sa Thermal Instability

Susunod, ang ika-apat na limitasyon ng MOSFET sa kanyang ligtas na lugar ng pagpapatakbo ay ipinahiwatig ng dilaw na linya ng pagdulas, na kumakatawan sa limitasyon ng kawalang-tatag ng thermal.

Nasa buong rehiyon ito ng SOA na kung saan ay talagang mahalaga upang talagang masukat ang kapasidad ng pagpapatakbo ng aparato. Ito ay sapagkat ang rehiyon ng thermal instability na ito ay hindi mahuhulaan ng anumang wastong paraan.

Samakatuwid, praktikal na kailangan naming pag-aralan ang MOSFET sa lugar na ito upang malaman kung saan maaaring mabigo ang FET, at eksakto kung ano ang kakayahang gumana ng isang tukoy na aparato?

Sa gayon maaari nating makita ngayon, kung gagawin natin ang maximum na limitasyon ng kuryente na ito, at pahabain ito pababa sa ilalim ng dilaw na linya, kung gayon, biglang ano ang matatagpuan natin?

Nalaman namin na ang limitasyon sa pagkabigo ng MOSFET ay napunta sa napakababang antas, na kung saan ay mas mababa ang halaga kumpara sa maximum na rehiyon ng limitasyon ng kuryente na na -promote sa datasheet (kinakatawan ng dalisdis ng dalandan).

O ipagpalagay na nagkakaroon tayo ng labis na konserbatibo, at sasabihin sa mga tao na, tingnan mo ang ilalim na rehiyon ng dilaw na linya ay talagang kung ano ang maaaring hawakan ng FET sa max. Sa gayon, maaaring nasa pinakaligtas tayo na bahagi ng deklarasyong ito, ngunit pagkatapos ay maaari nating labis na mabayaran ang kakayahan sa limitasyon ng kuryente ng aparato, na maaaring hindi makatwiran, tama ba?

Iyon mismo ang dahilan kung bakit ang rehiyon ng kawalang-tatag na ito ay hindi matukoy o maangkin ng mga pormula, ngunit dapat talagang masubukan.

Limitasyon sa Boltahe ng Breakdown

Ang ikalimang rehiyon ng limitasyon sa SOA graph ay ang limitasyon ng pagkasira ng boltahe, na kinakatawan ng itim na patayong linya. Alin ang maximum na kapasidad sa paghawak ng boltahe na mapagkukunan ng mapagkukunan ng FET.

Tulad ng bawat graph ang aparato ay nagtatampok ng isang 100-volt BVDSS, na nagpapaliwanag kung bakit ang itim na patayong linya na ito ay ipinataw sa 100 volts na Drain-Source mark.

Ito ay magiging intresting upang siyasatin ang naunang ideya ng thermal kawalang-tatag ng kaunti pa. Upang magawa ito, kakailanganin nating balangkasin ang isang parirala na tinukoy bilang 'temperatura coefficient'.

MOSFET Temperatura Coefficient

Ang koepisyent ng temperatura ng MOSFET ay maaaring tukuyin bilang pagbabago sa kasalukuyang paglipas ng pagbabago sa temperatura ng kantong ng MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Samakatuwid kapag sinuri namin ang curve ng mga katangian ng paglipat ng isang MOSFET sa datasheet nito, nakita namin ang kasalukuyang pag-alisan ng tubig patungo sa FET kumpara sa pagtaas ng boltahe hanggang sa mapagkukunan ng FET, nalaman din namin na ang mga katangiang ito ay sinusuri sa 3 iba't ibang mga saklaw ng temperatura.

Zero Temperature Coefficient (ZTC)

Kung titingnan natin ang puntong kinakatawan ng orange na bilog, ito ang ipahiwatig namin bilang zero temperatura coefficient ng MOSFET .

Sa puntong ito kahit na ang temperatura ng junction ng aparato ay patuloy na nadaragdagan ay hindi gumagawa ng pagpapahusay sa kasalukuyang paglilipat sa pamamagitan ng FET.

∂ako_D/ ∂T_j = 0 , saan Ako_D ay ang kasalukuyang kanal ng MOSFET, T_j kumakatawan sa temperatura ng kantong ng aparato

Kung titingnan natin ang rehiyon sa zero zero coefficient ng temperatura (orange na bilog), habang lumilipat tayo mula sa negatibong -55 hanggang 125 degree Celsius, ang kasalukuyang sa pamamagitan ng FET ay talagang nagsisimulang bumaba.

∂ako_D/ ∂T_j <0

Ang sitwasyong ito ay nagpapahiwatig na ang MOSFET ay talagang nagiging mas mainit, ngunit ang lakas na nawala sa pamamagitan ng aparato ay nagiging mas mababa. Ipinapahiwatig nito na talagang walang panganib ng kawalang-tatag para sa aparato, at ang overheating ng aparato ay maaaring payagan, at hindi tulad ng BJTs posibleng walang peligro ng isang thermal runaway na sitwasyon.

Gayunpaman, sa mga alon sa rehiyon sa ibaba ng zero temperatura coefficient (orange circle), napansin namin ang takbo, kung saan ang pagtaas ng temperatura ng aparato, iyon ay, sa kabuuan ng negatibong -55 hanggang 125 degree, ay sanhi ng kasalukuyang kapasidad ng paglilipat ng ang aparato upang talagang dagdagan.

∂ako_D/ ∂T_j > 0

Nangyayari ito dahil sa ang katunayan na ang temperatura coefficient ng MOSFET ay sa mga puntong ito na mas mataas kaysa sa zero. Ngunit, sa kabilang banda isang pagtaas sa kasalukuyang sa pamamagitan ng MOSFET, ay nagdudulot ng isang proporsyonal na pagtaas sa RDS ng MOSFET (sa) (paglaban sa mapagkukunan ng mapagkukunan) at nagdudulot din ng katimbang na pagtaas ng temperatura ng katawan ng aparato ng unti-unting, na humahantong sa karagdagang kasalukuyang ilipat sa pamamagitan ng aparato. Kapag ang MOSFET ay napunta sa rehiyon na ito ng isang positibong loop ng feedback, maaari itong bumuo ng isang kawalang-tatag sa pag-uugali ng MOSFET.

Gayunpaman, walang sinuman ang maaaring sabihin kung ang sitwasyon sa itaas ay maaaring mangyari o hindi, at walang madaling disenyo para sa pagtataya kung kailan maaaring lumitaw ang ganitong uri ng kawalang-tatag sa loob ng MOSFET.

Ito ay dahil maaaring mayroong maraming mga parameter na kasangkot sa MOSFET depende sa istraktura ng density ng cell mismo, o ang kakayahang umangkop ng pakete upang maalis ang pantay na init sa buong katawan ng MOSFET.

Dahil sa mga walang katiyakan na ito, ang mga kadahilanan tulad ng thermal runaway o anumang thermal kawalang-tatag sa mga ipinahiwatig na rehiyon ay dapat kumpirmahin para sa bawat partikular na MOSFET. Hindi, ang mga katangiang ito ng MOSFET ay hindi mahulaan sa pamamagitan lamang ng paglalapat ng maximum na equation ng pagkawala ng kuryente.

Bakit napakahalaga ng SOA

Ang mga numero ng SOA ay maaaring maging kritikal na kapaki-pakinabang sa mga aplikasyon ng MOSFET kung saan ang aparato ay madalas na pinapatakbo sa mga rehiyon ng saturation.

Kapaki-pakinabang din ito sa mainit na pagpalit o mga aplikasyon ng Oring controller, kung saan naging mahalaga upang malaman nang eksakto kung magkano ang kapangyarihan na maaring tiisin ng MOSFET, sa pamamagitan ng pagtukoy sa kanilang mga chart ng SOA.

Praktikal na mahahanap mo na ang mga halaga ng ligtas na operating area ng MOSFET ay may posibilidad na maging napaka kapaki-pakinabang para sa karamihan sa mga consumer na nakikipag-usap sa motor control, inverter / converter o mga produkto ng SMPS, kung saan ang aparato ay karaniwang pinapatakbo sa matinding kondisyon ng temperatura o labis na karga.

Pinagmulan: Pagsasanay sa MOSFET , Ligtas na Operating Area