הבנת אזור הפעלה בטוח של MOSFET או SOA

אם אתה תוהה או חושש בדיוק כמה כוח ה- MOSFET שלך יכול לסבול בתנאים קיצוניים, או במצבים מפיצים קיצוניים, אז נתוני ה- SOA של המכשיר הם בדיוק מה שאתה צריך להסתכל עליו.

בפוסט זה נדון באופן מקיף באזור ההפעלה הבטוח, או ה- SOA, כפי שהוא מופיע בגיליון הנתונים של MOSFET.

להלן אזור ההפעלה הבטוח MOSFET או גרף ה- SOA שבדרך כלל נראה בכל טקסס אינסטרומנטס גיליונות נתונים.

MOSFET SOA מתואר כגודל המציין את ההספק המרבי בו ה- FET יכול להתמודד בזמן שהוא פועל באזור הרוויה.

את התצוגה המוגדלת של גרף ה- SOA ניתן לראות בתמונה הבאה למטה.

בגרף ה- SOA לעיל אנו מסוגלים לראות את כל המגבלות והגבולות הללו. ועמוק יותר בתרשים אנו מוצאים מגבלות נוספות למשך דופק אישי שונה. ואת השורות הללו בתוך הגרף ניתן לקבוע באמצעות חישובים או מדידות פיזיות.

בגליונות נתונים קודמים ובגילאים ישנים יותר, פרמטרים אלה נאמדו עם ערכים מחושבים.

עם זאת, בדרך כלל מומלץ למדוד פרמטרים אלה באופן מעשי. אם אתה מעריך אותם באמצעות נוסחאות, אתה עלול לקבל ערכים היפותטיים שעשויים להיות הרבה יותר גדולים ממה שה- FET יכול לסבול ביישום בעולם האמיתי. או אולי אתה יכול להוריד (לפצות יתר) את הפרמטרים לרמה שעשויה להיות מאופקת מדי, יחסית למה שה- FET באמת יכול להתמודד איתו.

אז בדיונים הבאים שלנו אנו לומדים את פרמטרי ה- SOA המוערכים באמצעות שיטות מעשיות אמיתיות ולא על ידי נוסחאות או סימולציות.

נתחיל בהבנה מהו מצב הרוויה ומצב ליניארי ב- FETs.

מצב לינארי לעומת מצב הרוויה

בהתייחס לגרף שלמעלה, מצב ליניארי מוגדר כאזור שבו ה- RDS (מופעל) או ההתנגדות למקור הניקוז של ה- FET עקבית.

המשמעות היא שהזרם שעובר דרך ה- FET הוא פרופורציונלי ישירות להטיה לניקוז למקור דרך ה- FET. זה ידוע לעיתים קרובות כאזור אוהם, מכיוון שה- FET פועל למעשה בדומה לנגד קבוע.

כעת, אם נתחיל להגדיל את מתח ההטיה של מקור הניקוז ל- FET, בסופו של דבר אנו מוצאים את ה- FET הפועל באזור המכונה אזור הרוויה. ברגע שפעולת MOSFET נאלצת לאזור הרוויה, הזרם (אמפר) הנע דרך ה- MOSFET על פני הניקוז למקור אינו מגיב עוד לעליית מתח ההטיה למקור.

לכן ללא קשר לכמה שאתה מגביר את מתח הניקוז, FET זה ממשיך להעביר דרכו רמת מקסימום קבועה של זרם.

הדרך היחידה בה אתה יכול לתפעל את הזרם היא בדרך כלל על ידי שינוי מתח השער למקור.

עם זאת, נראה כי מצב זה תמוה מעט, מכיוון שבדרך כלל מדובר בתיאורי ספרי הלימוד שלך על אזור ליניארי ורוויה. בעבר למדנו כי פרמטר זה מכונה לעיתים קרובות האזור האוהמי. אף על פי כן, כמה אנשים למעשה מכנים זאת כאזור ליניארי. אולי, הלך הרוח הוא, ובכן, זה נראה כמו קו ישר, אז זה צריך להיות ליניארי?

אם אתה מבחין באנשים שדנים ביישומים להחלפה חמה, הם הולכים לבטא, ובכן, אני עובד באזור לינארי. אבל זה בעצם לא הולם טכנולוגית.

הבנת MOSFET SOA

כעת מאחר שאנו יודעים מהו אזור רוויה של FET, אנו יכולים כעת לעיין בפירוט בגרף ה- SOA שלנו. ניתן לפרק את ה- SOA לחמש מגבלות אישיות. בואו ללמוד מה הם בדיוק.

הגבלת RDS (מופעלת)

השורה הראשונה בגרף בצבע אפור, מייצגת את מגבלת ה- RDS (on) של ה- FET. וזה האזור שמגביל למעשה את כמות הזרם המקסימלית באמצעות ה- FET בגלל התנגדות ההתקן של המכשיר.

במילים אחרות, זה מציין את ההתנגדות הגבוהה ביותר של ה- MOSFET שעשויה להתקיים בטמפרטורת הצומת המרבית הניתנת לסבול של ה- MOSFET.

אנו צופים כי לקו האפור הזה יש שיפוע קבוע של אחדות, פשוט מכיוון שלכל נקודה בתוך קו זה יש כמות זהה של התנגדות ON, בהתאם לחוק אוהם, הקובע כי R שווה ל- V חלקי I.

מגבלה נוכחית

קו ההגבלה הבא בגרף ה- SOA מייצג את המגבלה הנוכחית. למעלה בתרשים ניתן לראות את ערכי הדופק השונים המצוינים על ידי הקווים הכחולים, הירוקים והסגולים, מוגבלים ב -400 אמפר על ידי הקו השחור האופקי העליון.

החלק האופקי הקצר של הקו האדום מציין את מגבלת החבילה של המכשיר, או את מגבלת הזרם הרציף (DC) של ה- FET, בסביבות 200 אמפר.

מגבלת כוח מרבית

מגבלת ה- SOA השלישית היא קו הגבלת ההספק המרבי של ה- MOSFET, המיוצג על ידי הקו המשופע הכתום.

כאשר אנו מבחינים בקו זה יש שיפוע מתמיד אך שלילי. זה קבוע מכיוון שכל נקודה בקו הגבלת כוח זה של SOA נושאת את אותו כוח קבוע המיוצג על ידי הנוסחה P = IV.

לפיכך, בעקומה לוגריתמית זו של SOA, הדבר מייצר שיפוע של -1. הסימן השלילי נובע מכך שזרם הזרם דרך ה- MOSFET כאן פוחת ככל שמתח מקור הניקוז עולה.

תופעה זו נובעת בעיקר ממאפייני המקדם השליליים של ה- MOSFET המגבילים את הזרם דרך ההתקן ככל שטמפרטורת הצומת שלו עולה.

מגבלת חוסר יציבות תרמית

לאחר מכן, מגבלת ה- MOSFET הרביעית על פני שטח ההפעלה הבטוח שלה מסומנת בקו המשופע הצהוב, המייצג את מגבלת חוסר היציבות התרמית.

זה באזור זה של ה- SOA שהופך להיות קריטי באמת למדידת יכולת ההפעלה של המכשיר. הסיבה לכך היא כי לא ניתן לחזות אזור חוסר יציבות תרמי בשום דרך ראויה.

לכן, עלינו למעשה לנתח את ה- MOSFET באזור זה כדי לברר היכן ה- FET עלול להיכשל, ומה בדיוק יכולת העבודה של המכשיר הספציפי?

לפיכך אנו יכולים לראות כעת, אם היינו לוקחים את מגבלת הכוח המרבית הזו, ומאריכים אותה עד למטה בתחתית הקו הצהוב, אז פתאום מה אנו מוצאים?

אנו מגלים כי מגבלת הכשל של MOSFET נוחתת ברמה נמוכה מאוד, שהיא ערכה נמוך בהרבה בהשוואה לאזור הגבלת הכוח המרבי שמקודם בגליון הנתונים (המיוצג על ידי השיפוע הכתום).

או נניח שבמקרה אנחנו יותר מדי שמרניים, ואומרים לאנשים, היי, נראה שהאזור התחתון של הקו הצהוב הוא למעשה מה שה- FET יכול להתמודד עם מקסימום. ובכן, אנו עשויים להיות בצד הבטוח ביותר עם הצהרה זו, אך אז יכולנו לפצות יתר על המידה את יכולת הגבלת החשמל של המכשיר, מה שאולי לא סביר, נכון?

בדיוק בגלל זה לא ניתן לקבוע או לטעון את אזור חוסר היציבות התרמי באמצעות נוסחאות, אלא יש לבדוק אותו בפועל.

הגבלת מתח התמוטטות

אזור המגבלה החמישי בגרף ה- SOA הוא מגבלת מתח הפירוק, המיוצגת על ידי הקו האנכי השחור. שהיא בסך הכל יכולת הטיפול המרבית במתח הניקוז של ה- FET.

לפי הגרף המכשיר כולל BVDSS של 100 וולט, שמסביר מדוע קו אנכי שחור זה נאכף ב 100 וולט סימן ניקוז מקור.

זה יהיה מעניין לחקור קצת יותר את התפיסה הקודמת של חוסר יציבות תרמית. לשם כך נצטרך להתוות ביטוי המכונה 'מקדם טמפרטורה'.

מקדם טמפרטורה של MOSFET

ניתן להגדיר את מקדם הטמפרטורה של MOSFET כשינוי הזרם על פני השינוי בטמפרטורת הצומת של ה- MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

לכן כשאנחנו בוחנים את עקומת מאפייני ההעברה של MOSFET בגליון הנתונים שלה, אנו מוצאים את זרם הניקוז למקור של ה- FET לעומת המתח הגובר למקור של ה- FET, אנו מוצאים גם כי מאפיינים אלה מוערכים ב -3 טווחי טמפרטורה שונים.

מקדם טמפרטורה אפס (ZTC)

אם נסתכל על הנקודה המיוצגת עם העיגול הכתום, זה מה שנציין כ- מקדם טמפרטורה אפס של ה- MOSFET .

בשלב זה גם אם טמפרטורת הצומת של המכשיר ממשיכה לגדול לא מייצרת שום שיפור בהעברה הנוכחית דרך ה- FET.

אני_ד/ ∂T_j = 0 , איפה אני_ד הוא זרם הניקוז של ה- MOSFET, ט_j מייצג את טמפרטורת הצומת של המכשיר

אם נסתכל על האזור שמקדם טמפרטורה אפס זה (עיגול כתום), כאשר אנו עוברים מהשלילה -55 ל -125 מעלות צלזיוס, הזרם דרך ה- FET מתחיל למעשה לרדת.

אני_ד/ ∂T_j <0

מצב זה מעיד על כך שה- MOSFET באמת מתחמם, אך הכוח המתפזר דרך המכשיר הולך ומתמעט. זה מרמז שלמעשה אין שום סכנה של חוסר יציבות למכשיר, וחימום יתר של המכשיר עשוי להיות מותר, ובניגוד ל- BJT, ייתכן שאין סיכון למצב בורח תרמי.

עם זאת, בזרמים באזור מתחת למקדם הטמפרטורה האפס (עיגול כתום), אנו מבחינים במגמה, שבה עלייה בטמפרטורה של המכשיר, כלומר על פני השלילי -55 עד 125 מעלות, גורמת ליכולת ההעברה הנוכחית של המכשיר למעשה יגדל.

אני_ד/ ∂T_j > 0

זה קורה בשל העובדה שמקדם הטמפרטורה של ה- MOSFET בנקודות אלה גבוה מאפס. אך מצד שני עלייה בזרם באמצעות ה- MOSFET, גורמת לעלייה מידתית ב- RDS של ה- MOSFET (on) (התנגדות מקור ניקוז) וגם גורמת לעלייה פרופורציונאלית בטמפרטורת הגוף של המכשיר בהדרגה, מה שמוביל לזרם נוסף. העברה דרך המכשיר. כאשר ה- MOSFET נכנס לאזור זה של לולאת משוב חיובית, הוא עלול לפתח חוסר יציבות בהתנהגות MOSFET.

עם זאת, איש אינו יכול לדעת אם המצב הנ'ל עלול לקרות או לא, ואין תכנון קל לחיזוי כאשר חוסר יציבות מסוג זה עלול להתעורר בתוך ה- MOSFET.

הסיבה לכך היא כי עשויים להיות הרבה פרמטרים המעורבים ב- MOSFET בהתאם למבנה צפיפות התאים עצמו, או לגמישות החבילה להפיץ חום באופן שווה בכל גוף ה- MOSFET.

בשל אי וודאות אלה, יש לאשר גורמים כמו בורח תרמי או אי יציבות תרמית באזורים המצוינים עבור כל MOSFET מסוים. לא, לא ניתן לנחש תכונות אלה של ה- MOSFET פשוט על ידי יישום משוואת אובדן הכוח המרבית.

למה SOA כל כך קריטי

נתוני ה- SOA יכולים להיות שימושיים באופן קריטי ביישומי MOSFET שבהם המכשיר מופעל לעתים קרובות באזורי הרוויה.

זה גם שימושי ב החלפה חמה או יישומי בקר Oring, שם הופך להיות קריטי לדעת בדיוק כמה כוח ה- MOSFET יוכל לסבול, על ידי התייחסות לתרשימי ה- SOA שלהם.

למעשה תגלה שערכי אזור הפעלה בטוחים MOSFET נוטים להיות שימושיים מאוד עבור רוב הצרכנים העוסקים בבקרת מנוע, ממיר / ממיר או מוצרי SMPS, כאשר המכשיר מופעל בדרך כלל בתנאי טמפרטורה קיצוניים או עומס יתר.

מקורות: אימון MOSFET , אזור הפעלה בטוח