MOSFETi ohutu tööala või SOA mõistmine

Kui olete mõelnud või mures selle pärast, kui palju võimsust teie MOSFET talub ekstreemsetes tingimustes või äärmuslikes hajutavates olukordades, on seadme SOA näitajad just need, mida peaksite vaatama.

Selles postituses käsitleme igakülgselt ohutu tööala või SOA-d, nagu see ilmub MOSFET-i andmelehel.

Järgmine on MOSFET-i ohutu tööpiirkond või SOA-graafik, mida tavaliselt kõigil näha on Texas Instruments andmelehed.

MOSFET SOA-d kirjeldatakse kui suurust, mis määrab maksimaalse võimsuse, mida FET suudab käsitseda, kui see töötab küllastuspiirkonnas.

SOA-graafiku suurendatud pilguheit on näha järgmisel alloleval pildil.

Ülaltoodud SOA graafikul näeme kõiki neid piiranguid ja piire. Graafikust veelgi sügavamalt leiame täiendavaid piiranguid paljude erinevate impulsi kestuste jaoks. Need graafiku sees olevad jooned saab määrata kas arvutuste või füüsiliste mõõtmiste abil.

Varasemates ja vanemates teabelehtedes hinnati neid parameetreid arvutatud väärtustega.

Tavaliselt on siiski soovitatav neid parameetreid praktiliselt mõõta. Kui hindate neid valemite abil, võite lõpuks saada hüpoteetilisi väärtusi, mis võivad sõna otseses mõttes olla palju suuremad, kui FET suudab reaalses maailmas taluda. Või võib-olla võite parameetrid alahinnata (üle kompenseerida) tasemele, mis võib olla liiga vaoshoitud, võrreldes sellega, millega FET tegelikult hakkama saab.

Nii et meie järgnevates aruteludes õpime SOA parameetreid, mida hinnatakse reaalsete praktiliste meetodite abil, mitte valemite või simulatsioonide abil.

Alustuseks mõistame, mis on küllastusrežiim ja lineaarne režiim FET-ides.

Lineaarrežiim vs küllastusrežiim

Viidates ülaltoodud graafikule, defineeritakse lineaarset režiimi kui piirkonda, milles RDS (sisse) või FET-i äravooluallika takistus on ühtlane.

See tähendab, et FET-i läbiv vool on FET-i kaudu otseselt proportsionaalne äravoolu-lähteallikaga. Seda tuntakse sageli ka kui oomilist piirkonda, kuna FET toimib põhimõtteliselt sarnaselt fikseeritud takistiga.

Nüüd, kui hakkame äravooluallika eelpinge suurendama FET-ni, leiame lõpuks, et FET töötab küllastuspiirkonnas tuntud piirkonnas. Kui MOSFET-operatsioon on sunditud küllastuspiirkonda, ei reageeri vool (amprid), mis liigub MOSFET-i kaudu üle äravoolu allikale, enam äravoolu-allika eelarvepinge tõusule.

Seega, hoolimata sellest, kui palju te äravoolupinget suurendate, jätkab see FET selle kaudu fikseeritud maksimaalse voolutaseme ülekandmist.

Ainus viis, kuidas saate vooluga manipuleerida, on tavaliselt värava-allika pinge muutmine.

Kuid see olukord näib olevat veidi mõistatuslik, kuna need on üldiselt teie lineaarse ja küllastunud piirkonna õpikute kirjeldused. Varem saime teada, et seda parameetrit nimetatakse üsna sageli oomiliseks piirkonnaks. Sellegipoolest nimetavad vähesed seda lineaarseks piirkonnaks. Võib-olla on mõtteviis, noh, see näeb välja nagu sirge, nii et see peab olema lineaarne?

Kui märkate inimesi, kes arutavad kiirvahetamise rakenduste üle, siis nad väljendavad, et ma töötan lineaarses piirkonnas. Kuid see on sisuliselt tehnoloogiliselt sobimatu.

MOSFET SOA mõistmine

Kuna me teame, mis on FET küllastuspiirkond, saame nüüd oma SOA graafiku üksikasjalikult üle vaadata. SOA võiks jagada viieks individuaalseks piiranguks. Õppime, mis need täpselt on.

RDS (sisse) piirang

Graafiku esimene hall värviga rida tähistab FET-i RDS (sisse) piirangut. Ja see on piirkond, mis piirab FET-i kaudu maksimaalset vooluhulka seadme sisselülitustakistuse tõttu.

Teisisõnu näitab see MOSFET-i suurimat takistust, mis võib eksisteerida MOSFET-i maksimaalse talutava ristmiku temperatuuri juures.

Me täheldame, et sellel hallil joonel on positiivne pidev ühtsuse kalle lihtsalt sellepärast, et igal selle joone punktil on vastavalt Ohmi seadusele identne summa ON-vastupanu, mille kohaselt R võrdub V jagatuna I-ga.

Praegune piirang

SOA graafiku järgmine piirangurida tähistab praegust piirangut. Graafikul on näha siniste, roheliste ja violetsete joontega tähistatud erinevad impulsi väärtused, mis on piiratud 400 ampriga ülemise horisontaalse musta joonega.

RED-joone lühike horisontaalne sektsioon näitab seadme paketipiiri või FET-i pideva voolu piiri (DC) umbes 200 amprit.

Maksimaalse võimsuse piirang

Kolmas SOA piirang on MOSFET-i maksimaalse võimsuse piiramise joon, mida tähistab oranž kaldus joon.

Nagu me märkame, on sellel joonel pidev, kuid negatiivne kalle. See on konstantne, kuna selle SOA võimsuse piirjoone igal punktil on sama konstantne võimsus, mida tähistab valem P = IV.

Seega tekitab see selles SOA logaritmilises kõveras kalle -1. Negatiivne märk on tingitud asjaolust, et siinne MOSFET-i läbiv vooluhulk väheneb, kui äravooluallika pinge suureneb.

See nähtus on peamiselt tingitud MOSFETi negatiivsetest koefitsientidest, mis piiravad seadme kaudu voolu, kui selle ristmiku temperatuur tõuseb.

Termilise ebastabiilsuse piiramine

Järgmisena näitab neljandat MOSFET-i piirangut kogu selle ohutu tööpiirkonna kohta kollane kaldus joon, mis tähistab termilise ebastabiilsuse piirangut.

Just selles SOA piirkonnas on seadme töövõime tegelikult mõõtmiseks ülioluline. Seda seetõttu, et seda termilise ebastabiilsuse piirkonda ei saa õigesti ennustada.

Seetõttu peame selles valdkonnas praktiliselt analüüsima MOSFETi, et teada saada, kus FET võib ebaõnnestuda ja milline on konkreetse seadme töövõime?

Seega näeme kohe, kui võtaksime selle maksimaalse võimsuse piirangu ja laiendaksime seda kollase joone allservas alla, siis äkki mida me leiame?

Leiame, et MOSFETi tõrkepiirang maandub väga madalal tasemel, mis on väärtusega võrreldes andmelehel propageeritud maksimaalse võimsuse piiramise piirkonnaga (mida tähistab oranž nõlv).

Või oletame, et oleme juhtumisi liiga konservatiivsed ja ütleme inimestele, et kuule, kollase joone alumine piirkond on see, millega FET saab maksimaalselt hakkama. Noh, võib-olla oleme selle deklaratsiooniga kõige turvalisemal poolel, kuid siis oleksime võinud liiga palju kompenseerida seadme võimsuse piiramise võimalust, mis ei pruugi olla mõistlik, eks?

Just sellepärast ei saa seda termilise ebastabiilsuse piirkonda valemitega kindlaks määrata ega väita, vaid see tuleb tegelikult testida.

Jaotuspinge piirang

SOA graafiku viies piirangupiirkond on jaotuspinge piirang, mida tähistab must vertikaalne joon. Mis on ainult FET-i maksimaalne äravooluallika pinge käsitsemisvõime.

Graafiku järgi on seadmel 100-voldine BVDSS, mis selgitab, miks seda musta vertikaalset joont rakendatakse 100-voldisel äravooluallika märgil.

Oleks huvitav uurida varasemat termilise ebastabiilsuse mõistet natuke rohkem. Selle saavutamiseks peame visandama fraasi, mida nimetatakse 'temperatuuri koefitsiendiks'.

MOSFETi temperatuuri koefitsient

MOSFETi temperatuuri koefitsienti saab määratleda kui voolu muutust üle MOSFETi ristmiku temperatuuri muutuse.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Seega, kui uurime selle andmelehel MOSFET-i ülekandekarakteristikute kõverat, leiame FET-i vooluallikast voolu võrreldes FET-i suureneva värava-allika pingega, leiame ka, et neid omadusi hinnatakse 3 erinevad temperatuurivahemikud.

Nulltemperatuuri koefitsient (ZTC)

Kui vaatame oranži ringiga kujutatud punkti, siis tähistame seda punktina MOSFETi nulltemperatuuri koefitsient .

Isegi siis, kui seadme ristmiku temperatuur pidevalt tõuseb, ei suurene vooluülekanne FET-i kaudu.

Ma_D/ ∂T_j = 0 , kus Mina_D on MOSFETi äravooluvool, T_j tähistab seadme ristmiku temperatuuri

Kui vaatame piirkonda üle selle nulltemperatuuri koefitsiendi (oranž ring), siis liikudes negatiivsest -55 kuni 125 kraadini, hakkab FET-i kaudu vool tegelikult langema.

Ma_D/ ∂T_j <0

See olukord näitab, et MOSFET muutub tõesti kuumaks, kuid seadme kaudu hajutatud võimsus väheneb. See tähendab, et seadme ebastabiilsuse ohtu tegelikult pole ja seadme ülekuumenemine võib olla lubatud ning erinevalt BJT-dest ei pruugi tekkida termilise põgenemise ohtu.

Kuid nullvoolu koefitsiendi (oranž ring) allpool asuva piirkonna voolude juures märkame suundumust, kus seadme temperatuuri tõus, see tähendab kogu negatiivse -55 kuni 125 kraadi, põhjustab voolu seade tegelikult suureneks.

Ma_D/ ∂T_j > 0

See juhtub seetõttu, et MOSFET-i temperatuurikoefitsient on nendes punktides nullist kõrgem. Kuid teisest küljest põhjustab voolu suurenemine MOSFET-i kaudu proportsionaalset MOSFET-i RDS (sisse) (äravooluallika takistuse) suurenemist ja põhjustab ka seadme kehatemperatuuri proportsionaalset tõusu järk-järgult, mis viib täiendava voolu seadme kaudu edastada. Kui MOSFET satub sellesse positiivse tagasiside ahela piirkonda, võib sellel tekkida MOSFET-i käitumises ebastabiilsus.

Keegi ei saa siiski öelda, kas ülaltoodud olukord võib juhtuda või mitte, ja prognoosimiseks pole lihtsat disaini, kui selline ebastabiilsus võib MOSFETis tekkida.

Seda seetõttu, et MOSFET-iga võib olla palju parameetreid, sõltuvalt selle rakutiheduse struktuurist endast või pakendi paindlikkusest, et kogu MOSFET-i keha kogu soojust ühtlaselt hajutada.

Nende ebakindluste tõttu tuleb iga konkreetse MOSFETi puhul kinnitada sellised tegurid nagu termiline põgenemine või termiline ebastabiilsus näidatud piirkondades. Ei, neid MOSFET-i atribuute ei saa arvata lihtsalt maksimaalse võimsuskadu võrrandi rakendamise abil.

Miks SOA on nii oluline?

SOA arvud võivad olla kriitiliselt kasulikud MOSFET-rakendustes, kus seadet kasutatakse sageli küllastuspiirkondades.

See on kasulik ka aastal hot-swap või Oring kontrollerirakendused, kus on ülioluline teada saada, kui palju võimsust MOSFET talub, viidates nende SOA graafikutele.

Praktiliselt leiate, et MOSFETi ohutu tööpiirkonna väärtused kipuvad olema enamiku mootorite juhtimise, muunduri / muunduri või SMPS-toodetega tegelevate tarbijate jaoks väga kasulikud, kus seadet kasutatakse tavaliselt äärmuslikes temperatuurides või ülekoormuse tingimustes.

Allikad: MOSFETi koolitus , Ohutu tööpiirkond