Izpratne par MOSFET drošas darbības zonu vai SOA

Ja jūs domājat vai uztraucaties par to, cik lielu jaudu jūsu MOSFET var paciest ekstremālos apstākļos vai ekstremālos izkliedējošos apstākļos, tad ierīces SOA skaitļi ir tieši tie, uz kuriem jums vajadzētu skatīties.

Šajā amatā mēs vispusīgi apspriedīsim Drošas darbības zonu vai SOA, kā tas redzams MOSFET datu lapā.

Šis ir MOSFET drošais darbības apgabals vai SOA diagramma, kas parasti ir redzama visos Texas Instruments datu lapas.

MOSFET SOA ir aprakstīts kā lielums, kas norāda maksimālo jaudu, ko FET var apstrādāt, kamēr tas darbojas piesātinājuma reģionā.

Palielināto SOA grafika ieskatu var redzēt nākamajā attēlā zemāk.

Iepriekš redzamajā SOA grafikā mēs varam redzēt visus šos ierobežojumus un robežas. Un vēl dziļāk diagrammā mēs atrodam papildu ierobežojumus daudziem dažādiem individuāliem impulsu ilgumiem. Šīs diagrammas iekšējās līnijas varēja noteikt, izmantojot aprēķinus vai fiziskus mērījumus.

Iepriekšējās un vecākās datu lapās šie parametri tika novērtēti, izmantojot aprēķinātās vērtības.

Tomēr parasti ieteicams šos parametrus izmērīt praktiski. Ja jūs tos novērtējat, izmantojot formulas, jūs varētu iegūt hipotētiskas vērtības, kas burtiski var būt daudz lielākas, nekā FET var pieļaut reālajā pasaulē. Vai varbūt jūs varat samazināt (pārmērīgi kompensēt) parametrus līdz līmenim, kas var būt pārāk vājš, salīdzinot ar to, ar ko FET faktiski var tikt galā.

Tāpēc mūsu turpmākajās diskusijās mēs uzzinām SOA parametrus, kurus novērtē ar reālām praktiskām metodēm, nevis pēc formulas vai simulācijām.

Sāksim ar izpratni, kas ir piesātinājuma režīms un lineārais režīms FET.

Lineārais režīms pret piesātinājuma režīmu

Atsaucoties uz iepriekš minēto grafiku, lineārais režīms tiek definēts kā reģions, kurā FDS RDS (ieslēgts) vai notekas avota pretestība ir konsekventa.

Tas nozīmē, ka strāva, kas iet caur FET, ir tieši proporcionāla aizplūšanai uz avotu caur FET. To bieži sauc arī par omu reģionu, jo FET būtībā darbojas līdzīgi kā fiksēts rezistors.

Tagad, ja mēs sākam palielināt kanalizācijas avota novirzes spriegumu līdz FET, mēs galu galā atrodam FET, kas darbojas reģionā, kas pazīstams kā piesātinājuma reģions. Kad MOSFET darbība ir piespiesta piesātinājuma apgabalā, strāva (ampēri), kas caur MOSFET pārvietojas caur kanalizāciju uz avotu, vairs nereaģē uz sprieguma pieaugumu no kanāla līdz avotam.

Tāpēc neatkarīgi no tā, cik daudz jūs palielināt notekas spriegumu, šis FET caur to turpina pārsūtīt fiksētu maksimālo strāvas līmeni.

Vienīgais veids, kā jūs varat manipulēt ar strāvu, parasti ir mainīt vārtu-avotu spriegumu.

Tomēr šī situācija šķiet nedaudz mulsinoša, jo tie parasti ir jūsu mācību grāmatas lineārā un piesātinātā reģiona apraksti. Iepriekš mēs uzzinājām, ka šo parametru diezgan bieži sauc par omas reģionu. Tomēr daži cilvēki to faktiski sauc par lineāro reģionu. Varbūt domāšanas veids labi izskatās, ka tā ir taisna, tāpēc tai jābūt lineārai?

Ja pamanāt ļaudis, kas apspriež ātrās apmaiņas lietojumprogrammas, viņi izteiks, labi, es strādāju lineārā reģionā. Bet tas būtībā ir tehnoloģiski nepiemērots.

Izpratne par MOSFET SOA

Tā kā mēs zinām, kas ir FET piesātinājuma reģions, tagad mēs varam detalizēti pārskatīt mūsu SOA diagrammu. SOA varētu iedalīt 5 individuālos ierobežojumos. Uzzināsim, kas tieši tie ir.

RDS (ieslēgts) ierobežojums

Pirmā diagrammas rinda, kas ir pelēkā krāsā, attēlo FET RDS (ieslēgts) ierobežojumu. Tas ir reģions, kas efektīvi ierobežo maksimālo strāvas daudzumu caur FET, ņemot vērā ierīces pretestību.

Citiem vārdiem sakot, tas norāda uz augstāko MOSFET pretestību, kas var pastāvēt pie maksimālās pieļaujamās MOSFET savienojuma temperatūras.

Mēs novērojam, ka šai pelēkajai līnijai ir pozitīvs konstants vienotības slīpums vienkārši tāpēc, ka katram šīs līnijas punktam ir identisks ON pretestības daudzums saskaņā ar Ohma likumu, kurā teikts, ka R ir vienāds ar V, dalīts ar I.

Pašreizējais ierobežojums

Nākamā ierobežojuma līnija SOA diagrammā attēlo pašreizējo ierobežojumu. Diagrammā augšpusē var redzēt dažādas impulsu vērtības, kuras norāda zilas, zaļas, violetas līnijas, pie 400 ampēriem ierobežojot augšējo horizontālo melno līniju.

Īsa RED līnijas horizontālā sadaļa norāda ierīces paketes robežu vai FET nepārtrauktās strāvas robežu (DC) aptuveni 200 ampēros.

Maksimālās jaudas ierobežojums

Trešais SOA ierobežojums ir MOSFET maksimālās jaudas ierobežojuma līnija, ko attēlo oranža slīpa līnija.

Kad mēs pamanām, šai līnijai ir nemainīgs slīpums, bet negatīvs. Tas ir nemainīgs, jo katram šīs SOA jaudas robežlīnijas punktam ir tāda pati pastāvīgā jauda, ​​ko attēlo formula P = IV.

Tādējādi šajā SOA logaritmiskajā līknē tas rada -1 slīpumu. Negatīvā zīme ir saistīta ar faktu, ka strāvas plūsma caur MOSFET šeit samazinās, palielinoties notekas avota spriegumam.

Šī parādība galvenokārt ir saistīta ar MOSFET negatīvajiem koeficienta raksturlielumiem, kas ierobežo strāvu caur ierīci, palielinoties tās savienojuma temperatūrai.

Termiskās nestabilitātes ierobežojums

Pēc tam ceturto MOSFET ierobežojumu visā tā drošajā darbības zonā norāda dzeltenā slīpa līnija, kas apzīmē termiskās nestabilitātes ierobežojumu.

Šajā SOA reģionā kļūst patiešām izšķiroši, lai faktiski izmērītu ierīces darbības jaudu. Tas ir tāpēc, ka šo termiskās nestabilitātes reģionu nevar paredzēt ar piemērotiem līdzekļiem.

Tāpēc mums praktiski ir jāanalizē MOSFET šajā jomā, lai uzzinātu, kur FET var neizdoties un kāda ir konkrētās ierīces darba spēja?

Tādējādi mēs šobrīd varam redzēt, ja mums būtu jāpieņem šis maksimālās jaudas ierobežojums un jāpaplašina līdz dzeltenās līnijas apakšai, tad pēkšņi ko mēs atrodam?

Mēs atklājam, ka MOSFET atteices ierobežojums nokļūst ļoti zemā līmenī, kas ir daudz zemāka vērtība salīdzinājumā ar maksimālo jaudas ierobežojuma reģionu, kas tiek reklamēts datu lapā (ko apzīmē ar oranžu slīpumu).

Vai arī pieņemsim, ka mums gadās būt pārāk konservatīviem un pateikt cilvēkiem, ka, hey izskatās dzeltenās līnijas apakšējais reģions ir tas, ko FET var maksimāli apstrādāt. Nu, mēs, iespējams, atrodamies drošākajā pusē ar šo deklarāciju, bet tad mēs varbūt esam pārmērīgi kompensējuši ierīces jaudas ierobežošanas iespējas, kas, iespējams, nav saprātīgi, vai ne?

Tieši tāpēc šo termiskās nestabilitātes reģionu nevar noteikt vai pieprasīt ar formulām, bet tas faktiski jāpārbauda.

Sadalījuma sprieguma ierobežojums

Piektais ierobežojuma reģions SOA grafikā ir sadalījuma sprieguma ierobežojums, ko attēlo melnā vertikālā līnija. Kas ir tikai FET maksimālā drenāžas avota sprieguma apstrādes jauda.

Kā norādīts diagrammā, ierīcei ir 100 voltu BVDSS, kas izskaidro, kāpēc šī melnā vertikālā līnija tiek izpildīta ar 100 voltu Drain-Source atzīmi.

Būtu interesanti mazliet vairāk izpētīt agrāko termiskās nestabilitātes jēdzienu. Lai to paveiktu, mums būs jāiezīmē frāze, ko sauc par “temperatūras koeficientu”.

MOSFET temperatūras koeficients

MOSFET temperatūras koeficientu var definēt kā strāvas izmaiņas, salīdzinot ar MOSFET krustojuma temperatūras izmaiņām.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Tāpēc, pārbaudot MOSFET datu pārraides raksturlielumu līkni, mēs atrodam FET novadīšanas līdz avotam strāvu pret FET pieaugošo vārtu-avotu spriegumu, kā arī konstatējam, ka šīs īpašības tiek novērtētas 3 dažādi temperatūras diapazoni.

Nulles temperatūras koeficients (ZTC)

Ja mēs skatāmies uz punktu, kas attēlots ar oranžo apli, tas ir tas, ko mēs norādītu kā nulles temperatūras koeficients MOSFET .

Šajā brīdī, pat ja ierīces savienojuma temperatūra turpina pieaugt, netiek uzlabota strāvas pārraide caur FET.

Es_D/ ∂T_j = 0 , kur Es_D ir MOSFET iztukšošanas strāva, T_j apzīmē ierīces savienojuma temperatūru

Ja mēs skatāmies uz reģionu virs šī nulles temperatūras koeficienta (oranžs aplis), pārejot no negatīvā -55 uz 125 grādiem pēc Celsija, strāva caur FET faktiski sāk samazināties.

Es_D/ ∂T_j <0

Šī situācija norāda, ka MOSFET patiešām kļūst karstāks, bet caur ierīci izkliedētā jauda kļūst mazāka. Tas nozīmē, ka faktiski nepastāv ierīces nestabilitātes draudi, un ierīces pārkaršana var būt pieļaujama, un atšķirībā no BJT, iespējams, nav termiskas bēgšanas situācijas riska.

Tomēr pie strāvām reģionā zem nulles temperatūras koeficienta (oranžs aplis) mēs pamanām tendenci, kad ierīces temperatūras paaugstināšanās, tas ir, pāri negatīvajam -55 līdz 125 grādiem, izraisa pašreizējo ierīci faktiski palielināt.

Es_D/ ∂T_j > 0

Tas notiek tāpēc, ka MOSFET temperatūras koeficients šajos punktos ir lielāks par nulli. Bet, no otras puses, strāvas pieaugums, izmantojot MOSFET, rada proporcionālu MOSFET RDS (ieslēgts) (noteces avota pretestība) pieaugumu un arī proporcionāli palielina ierīces ķermeņa temperatūru, izraisot turpmāku strāvu pārsūtīšana caur ierīci. Kad MOSFET nokļūst šajā pozitīvās atgriezeniskās saites cilpas reģionā, tas var radīt nestabilitāti MOSFET uzvedībā.

Tomēr neviens nevar pateikt, vai iepriekš minētā situācija var notikt vai nē, un nav viegli izstrādāt prognozes, kad šāda veida nestabilitāte var rasties MOSFET.

Tas ir tāpēc, ka var būt daudz parametru, kas saistīti ar MOSFET, atkarībā no tā šūnu blīvuma struktūras vai iepakojuma elastības, lai vienmērīgi izkliedētu siltumu caur MOSFET ķermeni.

Šo nenoteiktību dēļ katram MOSFET ir jāapstiprina tādi faktori kā termiskā bēgšana vai jebkura termiskā nestabilitāte norādītajos reģionos. Nē, šos MOSFET atribūtus nevar uzminēt, vienkārši piemērojot maksimālās jaudas zuduma vienādojumu.

Kāpēc SOA ir tik būtiska

SOA skaitļi var būt kritiski noderīgi MOSFET lietojumprogrammās, kur ierīci bieži darbina piesātinājuma reģionos.

Tas ir noderīgs arī karstā maiņa vai Oring kontrolieru lietojumprogrammas, kur ir ļoti svarīgi precīzi zināt, cik lielu jaudu MOSFET varēs izturēt, atsaucoties uz viņu SOA diagrammām.

Praktiski jūs atradīsit, ka MOSFET drošās darbības zonas vērtības parasti ir ļoti noderīgas lielākajai daļai patērētāju, kas nodarbojas ar motora vadību, invertoru / pārveidotāju vai SMPS produktiem, kur ierīci parasti darbina ārkārtējas temperatūras vai pārslodzes apstākļos.

Avoti: MOSFET apmācība , Droša darbības zona