SOA区指的是MOSFET的安全工作区,英文表示为Safe Operating Area,是指MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的安全操作范围。有时也叫ASO,Area of Safe Opration,两者都是一个意思,但我们会统一为SOA区。
这个区域在MOS管的特性曲线图中可见,它由曲线与Vds(横轴)和Ids(纵轴)所围成的面积所定义。一般评估电流时,就是看这条线(DC)。
在MOS管正常工作时,电压和电流不应超过SOA的限定范围。这个概念的重要性体现在于评估MOS管的工作状态是否安全,尤其在热插拔、电机驱动和开关电源等应用中。
当MOS管在开关切换时,如果瞬时功率超出SOA区域,就可能导致危险情况发生。
SOA由五条限制线组成,包括Rds(on)限制线、电流限制线、功率限制线、热稳定限制线和击穿电压限制线。这些限制线各自表示着不同的参数和性能限制,帮助确保MOS管在安全操作范围内工作。
a.Rds(on)限制线
MOS管在完全导通时会有导通电阻Rds(on),在此状态下MOS管工作在欧姆区。
一般数据表呈现的值是一个范围,与SOA推测出的Rds(on)不完全一致,而SOA曲线展现的是一个常数,并且曲线是线性的,一般厂家给出的SOA曲线,是指在某一特定工作条件下使用的Rds(on),主要是以Vgs和温度有关。
关系式:Vds=Ids*Rds(on)
b.电流限制线
通常指的是MOS管最大脉冲尖峰电流Idm,这是由器件本身的封装决定的
c.功率限制线
该功率在热平衡状态下会产生150℃的稳定结温Tj,其中 Tc = 25°C。这是根据器件允许消耗的最大功率计算得出。
d.热稳定限制线
在实际工作中电压和电流不应超过这条线,否则可能导致MOS管热不稳定而损坏。(下文会提到热不稳定的详细情况)
击穿电压限制线表示MOS管的耐压,和规格书的Vds(max)对应。
那么,热稳定限制线是如何发生的呢?
在固定的Vds的情况下,Vgs的电压不变,不同的Vgs,ID电流是不同的。
例如下图:在25℃时,IDS=IDS(A)
当我们将温度升到150℃时,即图中的B点,此时IDS有所上升,IDS=IDS(B)。也就是说,温度升高,IDS电流会跟着增大,即正温度系数(形成正反馈循环),也就是红色区域。反之,蓝色区域就是负温度系数。
在此得出,热不稳定和温度有一定关系,并且分为两种:正温度系数&负温度系数。
有什么关系呢?
当硅芯片上面某块区域的温度高于其它地方,并且处于正温度系数区域,那么它的电流也会高于其它地方。电流一大,又会导致更多热量产生,温度会变得更高,最终就导致了热失控。
那么,为什么一个图里SOA曲线有好几条?
这是因为它们分别对应了不同脉冲时间的限制,如果脉冲持续的时间越长,MOS管承受的电、热应力就会更大,病容易发生损坏。
因此,所持续的时间越短,它承受的电压和电流就会越大。
最后,要如何判断MOS管是否工作在SOA区呢?
① 通过测量MOS管的电压和电流波形,判断是否突破设定的极限值。
② 使用示波器的乘积功能,获取脉冲信号的能量波形及其持续时间△t。
③ 找出功率峰值P(max),记录此时的电压Ucross和电流Icross数据。
④ 根据SOA曲线和脉冲时长△t,计算出对应电压Ucross的允许电流Isoa。
⑤ 在MOS管正常工作时,测量其外壳温度,并利用降额公式计算出温度影响下的调整后电流值:I(降额)=Isoa×温度调整系数。
⑥ 如果测得的电流Icross小于计算出的调整后电流I(降额),说明MOS管工作在安全SOA区域内;如果大于,则意味着它已经超出了安全范围。
在工程实践中,设计者需要仔细考虑电路中MOSFET的工作条件,以确保其在SOA区域内运行。通常涉及计算和评估电路中的电压、电流脉冲、功率峰值等参数,以便在设计阶段就能够合理地选择器件和确定工作条件。
此外,针对高功率、高频率或脉冲应用,特别需要关注MOSFET的SOA特性,并根据具体应用场景选用适当的器件型号和工作条件。在实际应用中,经常需要结合实验验证和仿真分析来确保MOSFET在SOA区域内可靠运行。
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