Pokud vás zajímá, nebo si děláte starosti, kolik energie může váš MOSFET tolerovat v extrémních podmínkách nebo v extrémních disipativních situacích, pak jsou údaje SOA zařízení přesně to, na co byste se měli dívat.
V tomto příspěvku budeme komplexně diskutovat o bezpečné operační oblasti nebo o SOA, jak se ukazuje v datovém listu MOSFET.
Následuje bezpečná provozní oblast MOSFET nebo graf SOA, který je obvykle vidět ve všech Texas Instruments datové listy.
MOSFET SOA je popsán jako velikost, která určuje maximální výkon, který může FET zvládnout, když pracuje v oblasti nasycení.
Zvětšený pohled na graf SOA lze vidět na následujícím obrázku níže.
Ve výše uvedeném grafu SOA můžeme vidět všechna tato omezení a hranice. A dále hlouběji v grafu najdeme další omezení pro mnoho různých trvání jednotlivých pulzů. A tyto řádky uvnitř grafu lze určit buď výpočty, nebo fyzickými měřeními.
V dřívějších a starších datových listech byly tyto parametry odhadovány s vypočítanými hodnotami.
Normálně se však doporučuje, aby byly tyto parametry prakticky měřeny. Pokud je vyhodnotíte pomocí vzorců, můžete nakonec získat hypotetické hodnoty, které mohou být doslova mnohem větší, než může FET tolerovat v reálných aplikacích. Nebo možná můžete snížit (nadměrně kompenzovat) parametry na úroveň, která může být příliš utlumená, ve srovnání s tím, s čím si FET skutečně poradí.
V našich následujících diskusích se tedy učíme parametry SOA, které se hodnotí skutečnými praktickými metodami, nikoli vzorci nebo simulacemi.
Začněme tím, že pochopíme, co je režim saturace a lineární režim ve FET.
Lineární režim vs režim sytosti
S odkazem na výše uvedený graf je lineární režim definován jako oblast, ve které je konzistentní RDS (zapnuto) nebo odpor FET odtokového zdroje.
To znamená, že proud procházející FET je přímo úměrný předpětí odtoku ke zdroji přes FET. To je také často známé jako ohmická oblast, protože FET v podstatě funguje podobně jako pevný rezistor.
Nyní, když začneme zvyšovat zkreslení napětí odtokového zdroje na FET, nakonec zjistíme, že FET pracuje v oblasti známé jako oblast nasycení. Jakmile je operace MOSFET přinucena do oblasti nasycení, proud (zesilovače) pohybující se přes MOSFET přes odtok ke zdroji již nereaguje na zvýšení předpětí odtoku ke zdroji.
Proto bez ohledu na to, o kolik zvýšíte odtokové napětí, tento FET pokračuje v přenosu pevné maximální úrovně proudu.
Jediný způsob, kterým můžete manipulovat s proudem, je obvykle změnou napětí brány ke zdroji.
Tato situace se však zdá být mírně záhadná, protože se obvykle jedná o vaše lineární a saturační oblasti učebnicových popisů. Dříve jsme se dozvěděli, že tento parametr se často označuje jako ohmická oblast. Několik lidí to však pojmenuje jako lineární oblast. Možná, že myšlení je, no, vypadá to jako přímka, takže to musí být lineární?
Pokud si všimnete, že lidé diskutují o hot-swapových aplikacích, budou vyjadřovat, no, pracuji v lineární oblasti. Ale to je v podstatě technologicky nevhodné.
Porozumění MOSFET SOA
Nyní, když víme, co je oblast saturace FET, můžeme nyní podrobně zkontrolovat náš graf SOA. SOA lze rozdělit do 5 individuálních omezení. Naučme se, co přesně jsou.
Omezení RDS (zapnuto)
První řádek v grafu, který má šedou barvu, představuje RDS (on) omezení FET. A to je oblast, která účinně omezuje maximální množství proudu přes FET z důvodu odporu zařízení.
Jinými slovy, označuje nejvyšší odpor MOSFET, který může existovat při maximální tolerovatelné spojovací teplotě MOSFET.
Pozorujeme, že tato šedá čára má kladný konstantní sklon jednoty, jednoduše proto, že každý bod v této přímce má shodné množství odporu ON, v souladu s Ohmovým zákonem, který uvádí, že R se rovná V děleno I.
Aktuální omezení
Následující řádek omezení v grafu SOA představuje aktuální omezení. Nahoře v grafu lze vidět různé hodnoty pulzu indikované modrou, zelenou, fialovou čarou, omezené na 400 ampérů horní vodorovnou černou čarou.
Krátká vodorovná část ČERVENÉ čáry označuje limit balení zařízení nebo limit kontinuálního proudu (DC) FET při přibližně 200 ampérech.
Omezení maximálního výkonu
Třetí omezení SOA je linie omezení maximálního výkonu MOSFET, představovaná oranžovou šikmou linkou.
Jak jsme si všimli, tato čára nese konstantní sklon, ale negativní. Je konstantní, protože každý bod na tomto limitu výkonu SOA nese stejný konstantní výkon, který představuje vzorec P = IV.
Proto v této logaritmické křivce SOA generuje sklon -1. Záporné znaménko je způsobeno skutečností, že tok proudu přes MOSFET zde klesá, jak se zvyšuje napětí odtokového zdroje.
Tento jev je primárně způsoben charakteristikami negativního koeficientu MOSFET, který omezuje proud skrz zařízení, jak se zvyšuje jeho teplota spojení.
Omezení tepelné nestability
Dále je čtvrté omezení MOSFET přes jeho bezpečnou provozní oblast označeno žlutou šikmou čárou, která představuje omezení tepelné nestability.
Právě v této oblasti SOA se stává skutečně zásadní pro skutečné měření provozní kapacity zařízení. Je to proto, že tuto oblast tepelné nestability nelze předpovědět žádnými vhodnými prostředky.
Proto v této oblasti prakticky potřebujeme analyzovat MOSFET, abychom zjistili, kde může FET selhat, a co přesně je pracovní schopnost konkrétního zařízení?
Právě teď tedy můžeme vidět, kdybychom využili toto omezení maximálního výkonu a rozšířili ho úplně dolů ve spodní části žluté čáry, pak najednou, co najdeme?
Zjistili jsme, že omezení selhání MOSFET přistává na velmi nízké úrovni, která má mnohem nižší hodnotu ve srovnání s oblastí omezení maximálního výkonu propagovanou v datovém listu (představovaná oranžovým sklonem).
Nebo předpokládejme, že jsme příliš konzervativní a řekneme lidem, že hej, spodní oblast žluté čáry je vlastně to, co FET zvládne na maximum. S tímto prohlášením můžeme být na nejbezpečnější straně, ale pak bychom mohli nadměrně kompenzovat schopnost zařízení omezit výkon, což nemusí být rozumné, že?
To je přesně důvod, proč tuto oblast tepelné nestability nelze určit nebo nárokovat pomocí vzorců, ale musí být skutečně otestována.
Omezení poruchového napětí
Pátá oblast omezení v grafu SOA je omezení průrazného napětí, které představuje černá svislá čára. Což je pouze maximální kapacita FET pro manipulaci s napětím zdroje.
Podle grafu je zařízení vybaveno 100voltovým BVDSS, což vysvětluje, proč je tato černá svislá čára vynucena při 100 voltech značky Drain-Source.
Bylo by zajímavé prozkoumat dřívější představu o tepelné nestabilitě trochu víc. Abychom toho dosáhli, budeme muset nastínit frázi označovanou jako „teplotní koeficient“.
MOSFET teplotní koeficient
Teplotní koeficient MOSFET lze definovat jako změnu proudu v průběhu změny teploty spojení MOSFET.
Tc = ∂ID / ∂Tj
Proto když zkoumáme křivku přenosových charakteristik MOSFETu v jeho datovém listu, najdeme proud FET odtoku ke zdroji versus rostoucí napětí brány od zdroje FET, také zjistíme, že tato charakteristika je hodnocena na 3 různé teplotní rozsahy.
Nulový teplotní koeficient (ZTC)
Podíváme-li se na bod představovaný oranžovým kruhem, označili bychom to jako nulový teplotní koeficient MOSFET .
V tomto okamžiku, i když se teplota spojení zařízení stále zvyšuje, nedojde k žádnému vylepšení přenosu proudu přes FET.
„JáD/ ∂Tj = 0 , kde JáD je odběrový proud MOSFETu, Tj představuje teplotu spojení zařízení
Podíváme-li se na oblast nad tímto nulovým teplotním koeficientem (oranžový kruh), jak se pohybujeme od záporných -55 do 125 stupňů Celsia, začne proud skrz FET skutečně klesat.
„JáD/ ∂Tj <0
Tato situace naznačuje, že MOSFET se opravdu zahřívá, ale výkon rozptýlený zařízením se snižuje. To znamená, že pro zařízení ve skutečnosti nehrozí nebezpečí nestability a přehřátí zařízení může být přípustné a na rozdíl od BJT zde možná nehrozí nebezpečí úniku z termálního systému.
U proudů v oblasti pod nulovým teplotním koeficientem (oranžový kruh) si však všimneme trendu, kdy zvýšení teploty zařízení, tj. Přes záporných -55 až 125 stupňů, způsobí přenosovou kapacitu proudu zařízení skutečně zvýšit.
„JáD/ ∂Tj > 0
K tomu dochází v důsledku skutečnosti, že teplotní koeficient MOSFET je v těchto bodech vyšší než nula. Ale na druhé straně zvýšení proudu prostřednictvím MOSFET způsobí úměrné zvýšení RDS MOSFETu (zapnuto) (odpor odtokového zdroje) a také způsobí postupné úměrné zvýšení tělesné teploty zařízení, což povede k dalšímu proudu přenos přes zařízení. Když se MOSFET dostane do této oblasti smyčky pozitivní zpětné vazby, může se vyvinout nestabilita v chování MOSFET.
Nikdo však nedokáže zjistit, zda se výše uvedená situace může stát či nikoli, a neexistuje snadný design pro předpovídání, kdy by tento druh nestability mohl na MOSFETu vzniknout.
Je to proto, že s MOSFET může být spousta parametrů v závislosti na samotné struktuře jeho buněčné hustoty nebo flexibilitě balíčku k rovnoměrnému odvádění tepla celým tělem MOSFET.
Kvůli těmto nejistotám musí být pro každý konkrétní MOSFET potvrzeny faktory jako tepelný únik nebo jakákoli tepelná nestabilita v uvedených oblastech. Ne, tyto atributy MOSFET nelze jednoduše uhodnout použitím rovnice maximální ztráty energie.
Proč je SOA tak zásadní
Údaje SOA mohou být kriticky užitečné v aplikacích MOSFET, kde je zařízení často provozováno v oblastech nasycení.
Je také užitečné v hot-swap nebo aplikace řadiče Oring, kde je klíčové přesně vědět, kolik energie bude MOSFET tolerovat, a to podle jejich grafů SOA.
Prakticky zjistíte, že hodnoty bezpečné pracovní oblasti MOSFET bývají velmi užitečné pro většinu spotřebitelů, kteří se zabývají řízením motorů, měniči / převaděči nebo produkty SMPS, kde je zařízení obvykle provozováno za extrémních teplot nebo podmínek přetížení.
Zdroje: Školení MOSFET , Bezpečný operační prostor
Předchozí: Jak IC LM337 funguje: Datový list, aplikační obvody Další: Sinewave invertorový obvod třídy D.
