MOS管SOA分析
板子上的功率mos管是否能持續(xù)安全工作，是設(shè)計(jì)者最擔(dān)心的問(wèn)題。炸機(jī)、用著用著就壞了、莫名其妙MOS管就炸了，工程師遇到這些真是又怕又恨，可到底是哪里出問(wèn)題了呢？這一切其實(shí)都和SOA有關(guān)，下面開(kāi)始詳解MOS管SOA分析。
我們知道開(kāi)關(guān)電源中MOSFET、IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開(kāi)關(guān)器件長(zhǎng)期工作于高電壓大電流狀態(tài)，承受著很大的功耗，一但過(guò)壓或過(guò)流就會(huì)導(dǎo)致功耗大增，晶圓結(jié)溫急劇上升，如果散熱不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致器件損壞，甚至可能會(huì)伴隨爆炸，非常危險(xiǎn)。
熟悉和正確使用MOS管SOA分析情況，可以極大限度地提高開(kāi)關(guān)器件的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)使用壽命。
什么是SOA？
SOA（Safe operating area）是指安全工作區(qū)，由一系列限制條件組成的一個(gè)漏源極電壓VDS和漏極電流ID的二維坐標(biāo)圖，開(kāi)關(guān)器件正常工作時(shí)的電壓和電流都不應(yīng)該超過(guò)該限定范圍。
圖1 SOA曲線示意圖
對(duì)于功率半導(dǎo)體器件，能夠安全、可靠地進(jìn)行工作的電流和電壓范圍，稱為安全工作區(qū)，超過(guò)此范圍的電流和電壓工作時(shí)器件會(huì)發(fā)生損壞，容易引發(fā)電力電子裝置破壞性問(wèn)題。任何功率半導(dǎo)體器件都需要給出安全工作區(qū)，一方面衡量器件的性能，同時(shí)為正確使用器件和設(shè)計(jì)電路參數(shù)提供依據(jù)。
開(kāi)關(guān)器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中幾乎都能找到SOA的身影。
SOA相關(guān)要點(diǎn)
SOA的限定范圍通常由最大漏極電流ID(max)或最大漏極脈沖電流IDM、 最大漏源電壓VD(MAX)、最大允許耗散功率PD(MAX)或最大脈沖耗散功率PDM、導(dǎo)通電阻RDS(on)共同決定的。
功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線，通常有4條邊界組成，分別說(shuō)明如下：
1、安全工作區(qū)SOA曲線左上方的邊界斜線，受功率MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)限制。
圖2 SOA受RDS(ON)的限制
因?yàn)樵诠潭ǖ腣GS電壓和環(huán)境條件下，功率MOSFET的RDS(ON)是固定的，因此這條斜線的斜率為1/R(DS(ON))。則VDS與ID對(duì)應(yīng)關(guān)系如下式：
在MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)中，可以找到RDS(ON)值的定義和范圍，如下圖所示：
圖3 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的RDS(ON)
2、安全工作區(qū)SOA曲線最右邊的垂直邊界，是受最大的漏源極電壓BVDSS的限制，即漏源擊穿電壓。
圖4 SOA受BVDSS的限制
漏源擊穿電壓BVDSS限制了器件工作的最大電壓范圍，在功率MOSFET正常工作中，若漏極和源極之間的電壓過(guò)度增高，PN結(jié)反偏發(fā)生雪崩擊穿，為保障器件安全，在關(guān)斷過(guò)程及其穩(wěn)態(tài)下必須承受的漏極和源極間最高電壓應(yīng)低于漏源擊穿電壓BVDSS。
漏源擊穿電壓BVDSS是功率MOSFET數(shù)據(jù)表中所標(biāo)稱的最小值。如下圖所示：
圖5 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的BVDSS
3、安全工作區(qū)SOA曲線最上面水平線，受最大的脈沖漏極電流IDM（或連續(xù)漏極電注ID）的限制。
圖6 SOA受IDM的限制
有些SOA曲線會(huì)分別標(biāo)注DC和脈沖模式下的曲線，需要注意的是IDM是脈沖工作狀態(tài)的最大電流，通常最大漏極脈沖電流IDM為連續(xù)漏極電流ID的3到4倍，因此脈沖電流要遠(yuǎn)高于連續(xù)的直流電流。IDM和ID在數(shù)據(jù)手冊(cè)中的定義如下：
圖7 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的ID和IDM
4、安全工作區(qū)SOA曲線右上方平行的一組斜線，是DC和不同的單脈沖寬度下功率損耗的限制。
圖8 SOA受功率損耗的限制
MOS管SOA分析，MOSFET的數(shù)據(jù)表中通常都提供了PD值，PD值為DC直流狀態(tài)下的最大損耗功率，如下圖所示：
圖9 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的PD
不同脈沖寬度下的最大損耗功率PDM通常需要計(jì)算得到。
DC時(shí)的最大損耗功率PD的計(jì)算公式為：
其中Tjmax為最大結(jié)溫，TC為殼溫，RθJC為穩(wěn)態(tài)熱阻，這三個(gè)值在數(shù)據(jù)手冊(cè)中都可以查到。
不同脈沖寬度時(shí)的脈沖耗散功率PDM的計(jì)算公式為：
其中Tjmax為最大結(jié)溫，TC為殼溫，ZθJC為歸一化瞬態(tài)熱阻系數(shù)，RθJC為穩(wěn)態(tài)熱阻。ZθJC可以在MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)中的脈沖寬度與ZθJC的曲線圖中查到，因此可以通過(guò)脈沖寬度來(lái)計(jì)算出PDM。
圖10 脈沖寬度與歸一化瞬態(tài)熱阻關(guān)系圖
SOA注意事項(xiàng)
功率MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中，相關(guān)極限參數(shù)和安全工作區(qū)SOA曲線都是基于工作溫度TC =25 ℃下的計(jì)算值。
例如，一款MOS管的BVDSS為600V，但這個(gè)600V是在25℃的值，如果工作在-25℃時(shí)，則BVDSS可能只有550V。如下圖所示：
圖11 不同溫度下的BVDSS
在實(shí)際的工作中，功率MOSFET的TC溫度，絕對(duì)不可能為25 ℃，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25 ℃，因此在實(shí)際設(shè)定和使用SOA時(shí)，一定要根據(jù)實(shí)際條件來(lái)對(duì)SOA限定條件進(jìn)行修正和降額。
例如，在不同的工作溫度、不同的脈沖電流或脈沖寬度條件下，RDS(ON)的值都會(huì)不同。在功率MOSFET的數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常都提供了溫度-RDS(ON)的特征曲線圖，如下圖所示：
圖12 溫度-RDS(ON)關(guān)系圖
從RDS(ON)與溫度的關(guān)系曲線可見(jiàn)，當(dāng)結(jié)溫從25℃升高到110℃，導(dǎo)通電阻提高了一倍，溫度越高，RDS(ON)所限制的安全工作區(qū)縮小，所以在實(shí)際應(yīng)用中需要用特定工作環(huán)境下的導(dǎo)通電阻限定安全工作區(qū)。
同樣，ID(max)、VD(MAX)和PD(MAX)都需要根據(jù)實(shí)際工作的環(huán)境條件進(jìn)行降額和修正。
SOA實(shí)測(cè)
MOS管SOA分析，示波器的SOA測(cè)試應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，使用電壓、電流探頭正常測(cè)試開(kāi)關(guān)管的VDS和IDM，打開(kāi)SOA分析功能，對(duì)照數(shù)據(jù)手冊(cè)的SOA數(shù)據(jù)設(shè)置好示波器的SOA參數(shù)即可。
以22N60N這款MOSFET為例，我們查看數(shù)據(jù)手冊(cè)，連續(xù)工作模式的相關(guān)參數(shù)如下：
圖13 FCP22N60N數(shù)據(jù)手冊(cè)
我們來(lái)設(shè)置示波器的SOA參數(shù)，BVDSS對(duì)應(yīng)于“電壓限定值”，ID對(duì)應(yīng)于“電流限定值”，PD對(duì)應(yīng)于“功率限定值”，RDS(ON)對(duì)應(yīng)于“Rds(on)限定值”，同時(shí)設(shè)置合適的電壓電流坐標(biāo)范圍（即電壓電流最大值和最小值），參數(shù)設(shè)置界面如下圖所示：
圖14 參數(shù)設(shè)置界面
示波器生成的SOA模板，可以與MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)中的相應(yīng)條件的SOA進(jìn)行對(duì)比，如下圖所示。當(dāng)然在實(shí)際使用中，還是需要根據(jù)當(dāng)前環(huán)境和工作條件對(duì)SOA限定區(qū)域條件進(jìn)行降額和修正。
圖15 SOA模板與數(shù)據(jù)手冊(cè)中SOA對(duì)比
ZDS4000示波器的最新的SOA功能還提供了如下測(cè)試功能：
創(chuàng)新性地支持脈沖寬度Tp的參數(shù)設(shè)置，測(cè)試時(shí)會(huì)判定脈沖寬度是否達(dá)到Tp時(shí)間值；
支持導(dǎo)通電阻Rdson的參數(shù)設(shè)置，影響SOA模板的內(nèi)阻限定區(qū)域；
支持連續(xù)測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)通過(guò)及失敗的總數(shù)次，該模式可用于連續(xù)烤機(jī)測(cè)試；
支持觸碰（波形超出安全區(qū)域）停止、自動(dòng)截圖、聲音提示操作；
安全工作區(qū)可通過(guò)電壓、電流、功率限制設(shè)定，也可通過(guò)多坐標(biāo)點(diǎn)自定義設(shè)定；
安全工作區(qū)支持對(duì)數(shù)坐標(biāo)和線性坐標(biāo)顯示。
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