MOSFET Güvenli Çalışma Alanını veya SOA'yı Anlamak

MOSFET'inizin aşırı koşullar altında veya aşırı enerji tüketen durumlarda tam olarak ne kadar gücü tolere edebileceğini merak ediyor veya endişeleniyorsanız, cihazın SOA rakamları tam olarak bakmanız gereken şeydir.

Bu yazıda, MOSFET veri sayfasında gösterildiği gibi Güvenli Çalışma Alanı'nı veya SOA'yı kapsamlı bir şekilde tartışacağız.

Aşağıda, MOSFET güvenli çalışma alanı veya normalde tüm cihazlarda görülen SOA grafiği yer almaktadır. Texas Instruments veri sayfaları.

MOSFET SOA, doygunluk bölgesinde çalışırken FET'in kullanabileceği maksimum gücü belirten büyüklük olarak tanımlanır.

SOA grafiğinin büyütülmüş görünümü aşağıdaki bir sonraki resimde görülebilir.

Yukarıdaki SOA grafiğinde tüm bu sınırlamaları ve sınırları görebiliyoruz. Ve grafikte daha derinlerde, birçok farklı bireysel darbe süresi için ek sınırlamalar buluyoruz. Ve grafiğin içindeki bu çizgiler, ya hesaplamalarla ya da fiziksel ölçümlerle belirlenebilir.

Daha önceki ve daha eski veri sayfalarında, bu parametreler hesaplanan değerlerle tahmin ediliyordu.

Bununla birlikte, normalde bu parametrelerin pratik olarak ölçülmesi önerilir. Bunları formüller kullanarak değerlendirirseniz, FET'in gerçek dünya uygulamasında tam anlamıyla tahammül edebileceğinden çok daha büyük olabilecek varsayımsal değerler elde edebilirsiniz. Ya da belki de parametreleri, FET'in gerçekte başa çıkabileceklerine göre çok fazla bastırılmış bir seviyeye indirgeyebilirsiniz (aşırı telafi edebilirsiniz).

Bu nedenle, aşağıdaki tartışmalarımızda formüllerle veya simülasyonlarla değil, gerçek pratik yöntemlerle değerlendirilen SOA parametrelerini öğreniyoruz.

FET'lerde doygunluk modu ve doğrusal modun ne olduğunu anlayarak başlayalım.

Doğrusal Mod - Doygunluk Modu

Yukarıdaki grafiğe bakıldığında, doğrusal mod, FET'in RDS (açık) veya boşaltma kaynağı direncinin tutarlı olduğu bölge olarak tanımlanır.

Bu, FET'ten geçen akımın, FET boyunca drenajdan kaynağa önyargısı ile doğru orantılı olduğu anlamına gelir. FET temelde sabit bir dirence benzer şekilde hareket ettiğinden, genellikle omik bölge olarak da bilinir.

Şimdi, tahliye kaynağı ön gerilimini FET'e artırmaya başlarsak, sonunda FET'in doygunluk bölgesi olarak bilinen bir bölgede çalıştığını buluruz. MOSFET işlemi doyma bölgesine zorlandığında, MOSFET üzerinden drenaj boyunca kaynağa giden akım (amper) artık drenajdan kaynağa öngerilim voltaj artışına yanıt vermez.

Bu nedenle, boşaltma gerilimini ne kadar artırdığınıza bakılmaksızın, bu FET, içinden sabit bir maksimum düzeyde akım aktarmaya devam eder.

Akımı manipüle etmenin tek yolu genellikle geçitten kaynağa voltajı değiştirmektir.

Bununla birlikte, bu durum biraz kafa karıştırıcı gibi görünmektedir, çünkü bunlar genellikle sizin ders kitabınızın lineer ve doygunluk bölgesi açıklamalarıdır. Daha önce bu parametrenin oldukça sık omik bölge olarak adlandırıldığını öğrenmiştik. Yine de birkaç kişi bunu lineer bölge olarak adlandırır. Belki de zihniyet, bu düz bir çizgiye benziyor, bu yüzden doğrusal mı olmalı?

Çalışırken değiştirme uygulamalarını tartışan insanları fark ederseniz, şunu ifade edeceklerdir, yani, doğrusal bir bölgede çalışıyorum. Ama bu aslında teknolojik olarak uygunsuz.

MOSFET SOA'yı Anlamak

Artık bir FET doygunluk bölgesinin ne olduğunu bildiğimize göre artık SOA grafiğimizi ayrıntılı olarak inceleyebiliriz. SOA, 5 ayrı sınırlamaya bölünebilir. Tam olarak ne olduklarını öğrenelim.

RDS (açık) Sınırlaması

Grafikteki gri renkli ilk satır, FET'in RDS (açık) sınırlamasını temsil eder. Ve bu, cihazın açık-direnci nedeniyle FET üzerinden maksimum akım miktarını etkin bir şekilde sınırlayan bölgedir.

Başka bir deyişle, MOSFET'in maksimum tolere edilebilir bağlantı sıcaklığında mevcut olabilecek en yüksek MOSFET direncini gösterir.

Bu gri çizginin pozitif sabit bir birlik eğimine sahip olduğunu gözlemliyoruz, çünkü bu çizgideki her nokta, Ohm yasasına göre, R eşittir V bölü I şeklinde ifade eden, aynı miktarda ON direncine sahip.

Mevcut Sınırlama

SOA grafiğindeki bir sonraki sınırlama çizgisi, mevcut sınırlamayı temsil eder. Grafiğin yukarısında, mavi, yeşil, mor çizgilerle gösterilen farklı darbe değerleri görülebilir, üst yatay siyah çizgi ile 400 amper ile sınırlandırılmıştır.

KIRMIZI çizginin kısa yatay bölümü, cihazın paket sınırını veya FET'in yaklaşık 200 amperdeki sürekli akım sınırını (DC) gösterir.

Maksimum Güç Sınırlaması

Üçüncü SOA sınırlaması, MOSFET'in turuncu eğimli çizgiyle gösterilen maksimum güç sınırlama çizgisidir.

Fark ettiğimiz gibi, bu çizgi sabit bir eğim taşır, ancak negatiftir. Bu SOA güç sınır çizgisi üzerindeki her nokta, P = IV formülüyle temsil edilen aynı sabit gücü taşıdığı için sabittir.

Bu nedenle, bu SOA logaritmik eğride bu -1 eğimi oluşturur. Negatif işaret, buradaki MOSFET'ten geçen akım akışının, drenaj kaynağı voltajı arttıkça azalmasından kaynaklanmaktadır.

Bu fenomen, öncelikle bağlantı sıcaklığı arttıkça cihazdan geçen akımı sınırlayan MOSFET'in negatif katsayı özelliklerinden kaynaklanmaktadır.

Termal Kararsızlık Sınırlaması

Daha sonra, güvenli çalışma alanı boyunca dördüncü MOSFET sınırlaması, termal kararsızlık sınırlamasını temsil eden sarı eğimli çizgi ile gösterilir.

Cihazın çalışma kapasitesini gerçekten ölçmek gerçekten çok önemli hale gelen SOA'nın bu bölgesinde. Bunun nedeni, bu termal kararsızlık bölgesinin herhangi bir uygun yolla tahmin edilememesidir.

Bu nedenle, FET'in nerede başarısız olabileceğini ve belirli bir cihazın çalışma kapasitesinin tam olarak ne olduğunu bulmak için bu alanda MOSFET'i pratik olarak analiz etmemiz gerekiyor.

Böylece, şu anda görebiliriz, eğer bu maksimum güç sınırlamasını alıp sarı çizginin en altına kadar uzatırsak, o zaman aniden ne buluruz?

MOSFET arıza sınırlamasının, veri sayfasında (turuncu eğim ile temsil edilen) desteklenen maksimum güç sınırlandırma bölgesi ile karşılaştırıldığında değer olarak çok daha düşük olan çok düşük seviyede düştüğünü bulduk.

Ya da çok muhafazakar olduğumuzu varsayalım ve insanlara şunu söyleyin, sarı çizginin alt bölgesine bakın, aslında FET'in maksimumda kaldırabileceği şeydir. Bu beyanla en güvenli tarafta olabiliriz, ancak o zaman cihazın güç sınırlama kapasitesini aşırı telafi etmiş olabiliriz, ki bu makul olmayabilir, değil mi?

İşte tam da bu nedenle, bu termal kararsızlık bölgesi formüllerle belirlenemez veya talep edilemez, ancak gerçekten test edilmelidir.

Arıza Gerilimi Sınırlaması

SOA grafiğindeki beşinci sınırlama bölgesi, siyah dikey çizgi ile temsil edilen arıza voltajı sınırlamasıdır. Bu, yalnızca FET'in maksimum boşaltma kaynağı voltaj işleme kapasitesidir.

Grafiğe göre cihaz, bu siyah dikey çizginin neden 100 voltluk Drenaj Kaynağı işaretinde uygulandığını açıklayan 100 voltluk bir BVDSS özelliğine sahiptir.

Daha önceki termal kararsızlık kavramını biraz daha araştırmak ilginç olurdu. Bunu başarmak için, 'sıcaklık katsayısı' olarak adlandırılan bir cümleyi ana hatlarıyla belirtmemiz gerekecek.

MOSFET Sıcaklık Katsayısı

MOSFET sıcaklık katsayısı, MOSFET'in bağlantı sıcaklığındaki değişim üzerinden akımdaki değişim olarak tanımlanabilir.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Bu nedenle, bir MOSFET'in veri sayfasındaki transfer özellikleri eğrisini incelediğimizde, FET'in artan giriş-kaynak gerilimine karşı FET'in drenaj-kaynağa akımını buluruz, ayrıca bu özelliklerin 3'te değerlendirildiğini de buluruz. farklı sıcaklık aralıkları.

Sıfır Sıcaklık Katsayısı (ZTC)

Turuncu daire ile temsil edilen noktaya bakarsak, bu, MOSFET'in sıfır sıcaklık katsayısı .

Bu noktada, cihazın bağlantı sıcaklığı artmaya devam etse bile, FET üzerinden akım transferinde herhangi bir gelişme olmaz.

∂I_D/ ∂T_j = 0 , nerede ben_D MOSFET'in boşaltma akımıdır, T_j cihazın bağlantı sıcaklığını temsil eder

Bölgeye bu sıfır sıcaklık katsayısının (turuncu daire) üzerinden bakarsak, eksi -55'ten 125 santigrat dereceye hareket ederken, FET'ten geçen akım aslında düşmeye başlar.

∂I_D/ ∂T_j <0

Bu durum, MOSFET'in gerçekten daha fazla ısındığının bir göstergesidir, ancak cihaz aracılığıyla dağıtılan güç azalmaktadır. Bu, aslında cihaz için hiçbir kararsızlık tehlikesi olmadığı anlamına gelir ve cihazın aşırı ısınmasına izin verilebilir ve BJT'lerin aksine muhtemelen bir termal kaçak durumu riski yoktur.

Bununla birlikte, sıfır sıcaklık katsayısının (turuncu daire) altındaki bölgedeki akımlarda, cihazın sıcaklığındaki, yani negatif -55 ila 125 derece arasındaki bir artışın, akım aktarım kapasitesine neden olduğu eğilimi görüyoruz. cihaz gerçekten artacak.

∂I_D/ ∂T_j > 0

Bu, MOSFET'in sıcaklık katsayısının bu noktalarda sıfırdan yüksek olması nedeniyle olur. Ancak, diğer yandan MOSFET yoluyla akımdaki bir artış, MOSFET'in RDS'sinde (açık) (boşaltma kaynağı direnci) orantılı bir artışa neden olur ve ayrıca cihazın vücut sıcaklığında orantılı bir artışa neden olarak daha fazla akıma yol açar. cihaz üzerinden aktarın. MOSFET, pozitif bir geri bildirim döngüsünün bu bölgesine girdiğinde, MOSFET davranışında bir istikrarsızlık geliştirebilir.

Ancak, yukarıdaki durumun olup olmayacağını kimse bilemez ve MOSFET'te bu tür bir istikrarsızlığın ne zaman ortaya çıkabileceğini tahmin etmek için kolay bir tasarım yoktur.

Bunun nedeni, hücre yoğunluğu yapısının kendisine veya paketin ısıyı MOSFET gövdesi boyunca eşit şekilde dağıtma esnekliğine bağlı olarak MOSFET ile ilgili birçok parametre olabilmesidir.

Bu belirsizlikler nedeniyle, termal kaçak veya belirtilen bölgelerdeki herhangi bir termal kararsızlık gibi faktörler, her bir MOSFET için doğrulanmalıdır. Hayır, MOSFET'in bu nitelikleri sadece maksimum güç kaybı denklemi uygulanarak tahmin edilemez.

SOA Neden Bu Kadar Önemli?

SOA rakamları, cihazın sıklıkla doygunluk bölgelerinde çalıştırıldığı MOSFET uygulamalarında kritik öneme sahip olabilir.

Ayrıca, çalışırken değiştirilebilir veya MOSFET'in SOA çizelgelerine bakarak tam olarak ne kadar gücü tolere edebileceğini bilmenin çok önemli hale geldiği Oring denetleyici uygulamaları.

Pratik olarak, MOSFET güvenli çalışma alanı değerlerinin, cihazın genellikle aşırı sıcaklık veya aşırı yük koşullarında çalıştırıldığı motor kontrolü, invertör / dönüştürücü veya SMPS ürünleriyle uğraşan çoğu tüketici için çok yararlı olduğunu göreceksiniz.

Kaynaklar: MOSFET eğitimi , Güvenli Çalışma Alanı