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        美萊特早新聞 功率MOSFET安全工作區,真的安全嗎?

        2019-04-27 08:32:48

        許多研發工程師經常會使用測量的工作波形來校核功率MOSFET的SOA曲線。例如:做電源的研發工程師,電源結構為反激或BUCK降壓變換器,測量到功率MOSFET的電壓和電流波形,然后根據電壓、電流波形和工作的脈寬時間,在SOA曲線中描出對應的工作點,來校核工作點是否在SOA曲線的范圍內,以此來判斷功率MOSFET的工作是否安全。


        事實上,這樣的校核方法并不正確,原因在于對于功率MOSFET的安全工作區曲線理解的偏差。本文將詳細的介紹功率MOSFET數據表中安全區的定義,從而讓工程師針對不同的應用,使用有效的方法校核其安全。

        功率MOSFET數據表中,安全工作區SOA曲線是正向偏置的安全工作區SOA曲線,即FBSOA曲。那么,這個安全工作區SOA曲線是如何定義的呢?


        這個曲線必須結合功率MOSFET的耐壓、電流特性和熱阻特性,來理解功率MOSFET的安全工作區SOA曲線。它定義了最大的漏源極電壓值、漏極電流值,以保證器件在正向偏置時安全的工作,如圖1所示。數據表中,功率MOSFET安全工作區SOA曲線有4條邊界,分別說明如下。

        1)安全工作區SOA曲線左上方的邊界斜線,受功率MOSFET的導通電阻RDS(ON)限制。因為在一定的VGS的電壓下,功率MOSFET都有一個確定的RDS(ON),因此:


        VDS=ID·RDS(ON)


        這條斜線的斜率就是1/ RDS(ON)。功率MOSFET數據表中,在不同的溫度以及在不同的脈沖電流及脈沖寬度條件下,RDS(ON)的值都會不同,在實際的應用過程中,這條曲線的斜率因條件的不同而不同。


        (2)安全工作區SOA曲線最右邊的垂直邊界,是最大的漏源極電壓BVDSS。BVDSS是功率MOSFET數據表中所標稱的最小值。同樣的,在不同的測試條件下這個值也會不同,特別是采用更高的測試電流IDSS時,名義的標稱值就會偏高,而實際的工作范圍就會減小。


        (3)安全工作區SOA曲線最上面水平線,受最大的脈沖漏極電流IDM的限制。這個值是一個測量值,如果使用最小脈沖寬度下的瞬態熱阻值、最大的RDS(ON)和允許的溫升來計算,所得到最大漏極電流會比IDM更高,因此也就不正確,對于特定范圍的脈沖寬度,最大的脈沖漏極電流就定義為IDM。



        (4)安全工作區SOA曲線右上方平行的一組斜線,是不同的單脈沖寬度下功率損耗的限制。RDS(ON)限制的斜線和最大的脈沖漏極電流IDM有一個交點,在這個交點的右邊,不同的單脈沖寬度下的最大漏源極電流曲線都幾乎工作在線性區,這一組曲線上的任何一點的電流和電壓值,都是通過瞬態的熱阻和允許的溫升(功耗)所計算出來的。

        其中,TJMax為最高允許工作結溫,150℃或者175℃,不同的產品定義不同。TC為殼溫,也就是封裝銅襯底溫度,通常是25℃。ZqJC為歸一化瞬態熱阻,RqJC為熱阻。


        功率MOSFET數據表中有歸一化瞬態熱阻曲線,通過上述公式,就可以將不同的單脈沖寬度下,VDS和ID的曲線作出來,因此功率MOSFET數據表中,安全工作區SOA曲線右上方平行的一組斜線都是計算值。

        從上面的論述,功率MOSFET的安全工作區SOA曲線都是基于TC=25℃溫度下的計算值,在實際的工作中,功率MOSFET的TC的溫度,也就是器件下面銅皮的溫度,絕對不可能為25℃,通常遠遠高于25℃,有些應用達到100℃~120℃,一些極端的應用甚至會更高,這樣數據表中的安全工作區SOA曲線很難對實際的應用提供有用的參考價值。使用RJA折算成TA=25℃時的電流和電壓值作出安全工作區SOA曲線,相對的可以對實際的應用提供一些參考。


        采用行業內的標準使用計算的方法所得到的安全工作區SOA中間的功率曲線,由于大多工作在線性區,計算過程不可能考慮到功率MOSFET的熱電效應。以前,功率MOSFET采用平面的結構,每個單元的間隔大,很少會產生局部的熱集中,基于TA=25℃的SOA曲線和實際的應用比較接近,偏差也較小。

        由于技術不斷的進步,目前通常采用溝槽以及隔離柵SGT技術,單元的密度急劇提高,單元和單元間的間距小,容易相互加熱產生局部的熱集中,導致內部的單元不平衡,熱電效應的影響明顯的增強,特別是在高壓的時候,內部的電場外強度大,進一步增加熱電效應。因此,使用線性區的功率損耗計算的安全工作區SOA曲線,和實際的應用偏差非常大。


        對于大多開關電源和電力電子的應用,功率MOSFET工作在高頻的開關狀態,完全的導通或截止,米勒電容產生米勒平臺的線性區,也就是產生開關損耗的區間,持續的時間非常短,通常是幾個或幾十個ns,因此使用測量到的功率MOSFET電壓和電流的波形,在安全工作區SOA曲線的線性區描點,來校核功率MOSFET是否安全工作。


        這種方法并不正確,特別是在TC=25℃的安全工作區SOA曲線中進行這樣的校核完全沒有意義。當功率MOSFET工作在高頻的開關狀態時,計算功率MOSFET的總體損耗,由熱阻來校核結溫,更有意義一些。


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