【導讀】板子上的功率MOS管是否能持續(xù)安全工作,是設(shè)計者最擔心的問題。炸機、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,可到底是哪里出問題了呢?這一切其實都和SOA有關(guān)。
我們知道開關(guān)電源中MOSFET、IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開關(guān)器件長期工作于高電壓大電流狀態(tài),承受著很大的功耗,一但過壓或過流就會導致功耗大增,晶圓結(jié)溫急劇上升,如果散熱不及時,就會導致器件損壞,甚至可能會伴隨爆炸,非常危險。
熟悉和正確使用SOA,可以極大限度地提高開關(guān)器件的穩(wěn)定性和延長使用壽命。
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漏源極電壓VDS和漏極電流ID的二維坐標圖,開關(guān)器件正常工作時的電壓和電流都不應(yīng)該超過該限定范圍。
圖1 SOA曲線示意圖
對于功率半導體器件,能夠安全、可靠地進行工作的電流和電壓范圍,稱為安全工作區(qū),超過此范圍的電流和電壓工作時器件會發(fā)生損壞,容易引發(fā)電力電子裝置破壞性問題。任何功率半導體器件都需要給出安全工作區(qū),一方面衡量器件的性能,同時為正確使用器件和設(shè)計電路參數(shù)提供依據(jù)。
開關(guān)器件的數(shù)據(jù)手冊中幾乎都能找到SOA的身影。
SOA相關(guān)要點
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的導通電阻RDS(ON)限制。
圖2 SOA受RDS(ON)的限制
因為在固定的VGS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對應(yīng)關(guān)系如下式:
在MOSFET的數(shù)據(jù)手冊中,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)表中所標稱的最小值。如下圖所示:
圖5 數(shù)據(jù)手冊中的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曲線會分別標注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,因此脈沖電流要遠高于連續(xù)的直流電流。IDM和ID在數(shù)據(jù)手冊中的定義如下:
圖7 數(shù)據(jù)手冊中的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
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)手冊中的PD
不同脈沖寬度下的最大損耗功率PDM通常需要計算得到。
DC時的最大損耗功率PD的計算公式為:
其中Tjmax為最大結(jié)溫,TC為殼溫,RθJC為穩(wěn)態(tài)熱阻,這三個值在數(shù)據(jù)手冊中都可以查到。
不同脈沖寬度時的脈沖耗散功率PDM的計算公式為:
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)手冊中的脈沖寬度與ZθJC的曲線圖中查到,因此可以通過脈沖寬度來計算出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
功率MOSFET數(shù)據(jù)手冊中,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 ℃下的計算值。
例如,一款MOS管的BVDSS為600V,但這個600V是在25℃的值,如果工作在-25℃時,則BVDSS可能只有550V。如下圖所示:
圖11 不同溫度下的BVDSS
在實際的工作中,功率MOSFET的TC溫度,絕對不可能為25 ℃,通常遠遠高于25 ℃,因此在實際設(shè)定和使用SOA時,一定要根據(jù)實際條件來對SOA限定條件進行修正和降額。
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)的值都會不同。在功率MOSFET的數(shù)據(jù)手冊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,當結(jié)溫從25℃升高到110℃,導通電阻提高了一倍,溫度越高,RDS(ON)所限制的安全工作區(qū)縮小,所以在實際應(yīng)用中需要用特定工作環(huán)境下的導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)實際工作的環(huán)境條件進行降額和修正。
SOA實測
示波器的SOA測試應(yīng)用非常簡單,使用電壓、電流探頭正常測試開關(guān)管的VDS和IDM,打開SOA分析功能,對照數(shù)據(jù)手冊的SOA數(shù)據(jù)設(shè)置好示波器的SOA參數(shù)即可。
以FCP22N60N這款MOSFET為例,我們查看數(shù)據(jù)手冊,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
我們來設(shè)置示波器的SOA參數(shù),BVDSS對應(yīng)于“電壓限定值”,ID對應(yīng)于“電流限定值”,PD對應(yīng)于“功率限定值”,RDS(ON)對應(yīng)于“Rds(on)限定值”,同時設(shè)置合適的電壓電流坐標范圍(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)手冊中的相應(yīng)條件的SOA進行對比,如下圖所示。當然在實際使用中,還是需要根據(jù)當前環(huán)境和工作條件對SOA限定區(qū)域條件進行降額和修正。
圖15 SOA模板與數(shù)據(jù)手冊中SOA對比
ZDS4000示波器的最新的SOA功能還提供了如下測試功能:
● 創(chuàng)新性地支持脈沖寬度Tp的參數(shù)設(shè)置,測試時會判定脈沖寬度是否達到Tp時間值;
● 支持導通電阻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)測試,并統(tǒng)計通過及失敗的總數(shù)次,該模式可用于連續(xù)烤機測試;
● 支持觸碰(波形超出安全區(qū)域)停止、自動截圖、聲音提示操作;
● 安全工作區(qū)可通過電壓、電流、功率限制設(shè)定,也可通過多坐標點自定義設(shè)定;
● 安全工作區(qū)支持對數(shù)坐標和線性坐標顯示。
圖16 示波器SOA實測
本文轉(zhuǎn)載自 ZLG立功科技。
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