Razumevanje varnega operacijskega območja MOSFET ali SOA

Preizkusite Naš Instrument Za Odpravo Težav





Če se sprašujete ali vas natančno skrbi, koliko moči lahko vaš MOSFET prenese v ekstremnih razmerah ali v ekstremnih razpršitvenih razmerah, potem morate natančno gledati številke SOA v napravi.

V tem prispevku bomo izčrpno razpravljali o varnem operacijskem območju ali SOA, kot je razvidno iz podatkovnega lista MOSFET.



Sledi območje varnega delovanja MOSFET ali graf SOA, ki je običajno viden v vseh Texas Instruments podatkovni listi.

MOSFET SOA je opisan kot velikost, ki določa največjo moč, ki jo lahko FET prenaša med delovanjem v območju nasičenja.



Povečan vpogled v graf SOA si lahko ogledate na naslednji sliki spodaj.

V zgornjem grafu SOA lahko vidimo vse te omejitve in meje. In še globlje v grafu najdemo dodatne omejitve za različno trajanje posameznih impulzov. Te črte znotraj grafa je mogoče določiti z izračuni ali fizičnimi meritvami.

V prejšnjih in starejših obrazcih so bili ti parametri ocenjeni z izračunanimi vrednostmi.

Vendar je običajno priporočljivo, da se ti parametri praktično izmerijo. Če jih ocenite z uporabo formul, lahko na koncu dobite hipotetične vrednosti, ki so lahko dobesedno veliko večje, kot jih FET dopušča v resnični aplikaciji. Ali pa lahko parametre znižate (prekomerno kompenzirate) na raven, ki je lahko preveč umirjena, glede na tisto, s čimer lahko FET dejansko ravna.

V naslednjih razpravah se torej naučimo parametrov SOA, ki se ovrednotijo ​​z resničnimi praktičnimi metodami in ne s formulami ali simulacijami.

Začnimo z razumevanjem, kaj je način nasičenja in linearni način v FET-jih.

Linearni način vs način nasičenja

Sklicujoč se na zgornji graf, je linearni način definiran kot območje, v katerem je RDS (vklopljen) ali odpornost FET proti odtoku.

To pomeni, da je tok, ki prehaja skozi FET, sorazmerno s pristranskostjo odtoka do vira skozi FET. Pogosto je znana tudi kot ohmična regija, saj FET v bistvu deluje podobno kot fiksni upor.

Zdaj, če začnemo povečevati napetost prednapetosti odtočnega vira na FET, sčasoma najdemo FET, ki deluje v regiji, znani kot nasičena regija. Ko je operacija MOSFET prisiljena v območje nasičenja, se tok (ojačevalniki), ki se prek MOSFET-a premika čez odtok do vira, ne odziva več na povečanje napetosti prednapetosti med odtokom in izvorom.

Torej ne glede na to, za koliko povečate odvodno napetost, ta FET še naprej prenaša skozi njega določeno najvišjo stopnjo toka.

Edini način, s katerim lahko manipulirate s tokom, je običajno spreminjanje napetosti od vrat do vira.

Vendar se zdi, da je ta položaj nekoliko zmeden, saj so to praviloma opisi učbenikov v linearnem in nasičenem območju. Prej smo se naučili, da ta parameter pogosto imenujemo omsko območje. Kljub temu pa nekateri ljudje to dejansko imenujejo linearna regija. Morda je miselnost no, to izgleda kot ravna črta, zato mora biti linearna?

Če opazite ljudi, ki razpravljajo o aplikacijah za vročo zamenjavo, bodo izrazili, no, delam v linearni regiji. Toda to je v bistvu tehnološko neprimerno.

Razumevanje MOSFET SOA

Zdaj, ko vemo, kaj je območje nasičenja FET, lahko zdaj podrobno pregledamo naš graf SOA. SOA lahko razdelimo na 5 posameznih omejitev. Naučimo se, kaj točno so.

RDS (vklopljena) omejitev

Prva vrstica na grafu, ki je sive barve, predstavlja RDS (vklopljeno) omejitev FET. In to je območje, ki dejansko omejuje največjo količino toka prek FET-a zaradi odpornosti naprave.

Z drugimi besedami, označuje največjo odpornost MOSFET-a, ki lahko obstaja pri največji dopustni temperaturi stičišča MOSFET-a.

Opažamo, da ima ta siva črta pozitiven konstanten nagib enotnosti, preprosto zato, ker ima vsaka točka znotraj te črte enako veliko ON-odpornosti, v skladu z Ohmovim zakonom, ki pravi, da je R enako V, deljeno z I.

Trenutna omejitev

Naslednja omejitvena vrstica v grafu SOA predstavlja trenutno omejitev. Na grafikonu so vidne različne vrednosti pulza, ki jih označujejo modre, zelene, vijolične črte, omejene na 400 amperov z zgornjo vodoravno črno črto.

Kratek vodoravni odsek RDEČE črte označuje omejitev paketa naprave ali neprekinjeno omejitev toka (DC) FET pri približno 200 amperih.

Omejitev največje moči

Tretja omejitev SOA je linija omejevanja največje moči MOSFET-a, ki jo predstavlja oranžna nagnjena črta.

Kot opazimo, ima ta črta konstanten, a negativni naklon. Stalna je, saj ima vsaka točka na tej mejni črti SOA enako konstantno moč, ki jo predstavlja formula P = IV.

Zato v tej logaritemski krivulji SOA to ustvari naklon -1. Negativni znak je posledica dejstva, da se tok toka skozi MOSFET tukaj zmanjšuje, ko narašča napetost odtočnega vira.

Ta pojav je predvsem posledica negativnih značilnosti koeficienta MOSFET-a, ki omejuje tok skozi napravo, ko se njegova temperatura spoja poveča.

Omejitev toplotne nestabilnosti

Nato je četrta omejitev MOSFET-a na njenem varnem delovnem območju označena z rumeno poševno črto, ki predstavlja omejitev toplotne nestabilnosti.

V tem območju SOA je resnično ključnega pomena dejansko merjenje zmogljivosti naprave. To je zato, ker tega območja toplotne nestabilnosti ni mogoče predvideti na noben ustrezen način.

Zato moramo na tem področju praktično analizirati MOSFET, da ugotovimo, kje lahko FET odpove, in natančno, kakšna je delovna sposobnost določene naprave?

Tako lahko zdaj, če bi uporabili to največjo omejitev moči in jo podaljšali do konca navzdol na dnu rumene črte, nenadoma ugotovimo, kaj potem najdemo?

Ugotovili smo, da omejitev okvare MOSFET pristane na zelo nizki ravni, ki je veliko nižja v primerjavi z območjem omejevanja največje moči, ki je predstavljeno na obrazcu (predstavljeno z oranžnim naklonom).

Ali pa predpostavimo, da smo preveč konzervativni in ljudem povemo, da je, glejte, spodnje območje rumene črte dejansko tisto, kar lahko FET obvlada največ. No, s to izjavo smo lahko na najbolj varni strani, potem pa smo morda preveč kompenzirali zmožnost naprave za omejevanje moči, kar morda ni smiselno, kajne?

Ravno zato tega območja toplotne nestabilnosti ni mogoče določiti ali zahtevati s formulami, ampak ga je treba dejansko preizkusiti.

Omejitev napetosti okvare

Peto omejevalno območje v grafu SOA je omejitev napetosti okvare, ki jo predstavlja črna navpična črta. Kar je zgolj največja zmogljivost FET-a za obdelavo napetosti odtočnega vira.

Kot kaže graf, ima naprava 100-voltni BVDSS, ki pojasnjuje, zakaj je ta črna navpična črta uveljavljena pri 100-voltni oznaki Drain-Source.

Zanimivo bi bilo nekoliko bolj raziskati prejšnje pojmovanje toplotne nestabilnosti. Da bi to dosegli, bomo morali opisati besedno zvezo, imenovano „temperaturni koeficient“.

Temperaturni koeficient MOSFET

Temperaturni koeficient MOSFET lahko definiramo kot spremembo toka nad spremembo temperature spoja MOSFET-a.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Ko torej preučimo krivuljo karakteristik prenosa MOSFET-a v njegovem obrazcu, najdemo tok odtoka do vira FET v primerjavi z naraščajočo napetostjo FET od vrat do vira, prav tako pa ugotovimo, da se te značilnosti ocenijo na 3 različna temperaturna območja.

Ničelni temperaturni koeficient (ZTC)

Če pogledamo točko, predstavljeno z oranžnim krogom, bi to označili kot ničelni temperaturni koeficient MOSFET-a .

V tem trenutku, tudi če se temperatura spoja naprave še naprej povečuje, tokovni prenos prek FET ne izboljša.

∂ID/ ∂Tj = 0 , kje jazD je odtočni tok MOSFET-a, Tj predstavlja temperaturo stičišča naprave

Če pogledamo območje preko tega ničelnega temperaturnega koeficienta (oranžni krog), ko se z negativnih -55 premaknemo na 125 stopinj Celzija, tok skozi FET dejansko začne padati.

∂ID/ ∂Tj <0

Ta položaj kaže, da se MOSFET res bolj segreva, vendar se moč, ki se odvaja skozi napravo, zmanjšuje. To pomeni, da za napravo dejansko ne obstaja nevarnost nestabilnosti, pregrevanje naprave pa je morda dovoljeno in za razliko od BJT verjetno ne obstaja nevarnost toplotnega ubeža.

Vendar pri tokovih v območju pod ničelnim temperaturnim koeficientom (oranžni krog) opazimo trend, ko povečanje temperature naprave, to je čez negativnih -55 do 125 stopinj, povzroči trenutno prenosno zmogljivost naprava dejansko poveča.

∂ID/ ∂Tj > 0

To se zgodi zaradi dejstva, da je temperaturni koeficient MOSFET-a na teh točkah višji od nič. Po drugi strani pa povečanje toka skozi MOSFET povzroči sorazmerno povečanje RDS (vklop) MOSFET-a (odpornost proti odtoku) in tudi postopno sorazmerno zvišanje telesne temperature naprave, kar vodi v nadaljnji tok prenos prek naprave. Ko MOSFET pride v to območje pozitivne povratne zanke, lahko razvije nestabilnost v vedenju MOSFET-a.

Vendar nihče ne more vedeti, ali se lahko zgodi zgornja situacija ali ne, in ni enostavnega načrta za napovedovanje, kdaj se lahko ta vrsta nestabilnosti pojavi v MOSFET-u.

To je zato, ker je z MOSFET-om morda veliko parametrov, odvisno od same strukture njegove gostote celic ali prilagodljivosti paketa, da enakomerno odvaja toploto skozi telo MOSFET-a.

Zaradi teh negotovosti je treba za vsak posamezen MOSFET potrditi dejavnike, kot so toplotni utek ali kakršna koli toplotna nestabilnost v navedenih regijah. Ne, teh atributov MOSFET-a ni mogoče uganiti zgolj z uporabo enačbe največje izgube moči.

Zakaj je SOA tako ključnega pomena

Številke SOA so lahko kritično koristne v aplikacijah MOSFET, kjer se naprava pogosto uporablja v območjih nasičenja.

Uporaben je tudi pri vročo zamenjavo ali Oringovih krmilnih aplikacij, kjer je ključnega pomena natančno vedeti, koliko moči bo MOSFET prenašal s sklicevanjem na njihove karte SOA.

Praktično boste ugotovili, da so vrednosti območja varne delovne površine MOSFET zelo koristne za večino potrošnikov, ki se ukvarjajo z upravljanjem motorja, pretvornikom / pretvornikom ali izdelki SMPS, kjer naprava običajno deluje v ekstremnih temperaturah ali preobremenitvah.

Viri: MOSFET usposabljanje , Varno operativno območje




Prejšnja: Kako deluje IC LM337: podatkovni list, vezja aplikacij Naprej: Invertersko vezje pretvornika razreda D