功率MOSFET安全工作区SOA:真的安全吗?

松哥电源2018-04-15 08:29:57

 

作者经常遇到许多研发工程师寻问功率MOSFET的SOA曲线有关的问题,如有些做电源的研发工程师,电源结构为反激或BUCK降压变换器,他们测量到功率MOSFET的电压和电流波形,然后根据电压、电流波形和工作的脉宽时间,在SOA曲线中描出对应的工作点,来校核工作点是否在SOA曲线的范围内,以此来判断功率MOSFET的工作是否安全。事实上,这样的校核方法并不正确,原因在于对于功率MOSFET的SOA曲线理解的偏差。


1、功率MOSFET安全工作区SOA曲线

 

功率MOSFET数据表中SOA曲线是正向偏置的SOA曲线,即FBSOA曲线,那么这个安全工作区SOA曲线是如何定义的呢?这个曲线必须结合前面讨论过的功率MOSFET的耐压、电流特性和热阻特性,来理解功率MOSFET的安全工作区SOA曲线。它定义了最大的漏源极电压值、漏极电流值,以保证器件在正向偏置时安全的工作,如下图,SOA曲线左上方的边界斜线,受漏源极的导通电阻RDS(ON)限制;SOA曲线右边垂直的边界,是最大的漏源极电压BVDSS;SOA曲线最上面水平线,由最大的脉冲漏极电流IDM的限制,右上方平行的一组斜线,是不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流。



图1:正向偏置SOA安全工作区

 

(1)SOA曲线左上方的边界斜线,受漏源极的导通电阻RDS(ON)限制。因为在一定的VGS的电压下,功率MOSFET都有一个确定的RDS(ON),因此:

        VDS = ID · RDS(ON)


这条斜线的斜率就是1/RDS(ON)。以前论述过功率MOSFET数据表中RDS(ON)的特性和测试条件,在不同的温度以及在不同的脉冲电流及脉冲宽度条件下,RDS(ON)的值都会不同,在实际的应用过程中,这条曲线的斜率因条件的不同而不同。

 

(2)SOA曲线右边垂直的边界,是最大的漏源极电压BVDSS。BVDSS是功率MOSFET数据表中所标称的最小值。同样的,在不同的测试条件下这个值也会不同,特别是采用更高的测试电流IDSS时,名义的标称值就会偏高,而实际的工作范围就会减小。

 

(3)SOA曲线最上面水平线,由最大的脉冲漏极电流IDM的限制。右上方平行的一组斜线,是不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流。


最大的脉冲漏极电流IDM的定义以前论述过,可以参考下面的文章:

 

这个值是一个测量值,如果使用最小脉冲宽度下的瞬态热阻值、最大的RDS(ON)和允许的温升来计算,所得到最大漏极电流会比IDM更高,因此也就不正确,对于特定范围的脉冲宽度,最大的脉冲漏极电流就定义为IDM

 

RDS(ON)限制的斜线和最大的脉冲漏极电流IDM有一个交点,在这个交点的右边,也就是图1中红线的右边,不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流曲线都几乎工作在线性区,而且这一组曲线的电流和电压值是通过瞬态的热阻和允许的温升(功耗)所计算出来的。


瞬态的热阻定义可以参考下面的文章:

 

通过上述公式,就可以将不同的单脉冲宽度下,VDS和ID的曲线作出来,因此数据表中的SOA曲线是一个计算值,而且最为关键的是,大多数SOA曲线都是基于TC=25℃温度下的计算值


2、功率MOSFET实际工作条件


在实际的工作中,功率MOSFET的TC的温度,也就是器件下面铜皮的温度,绝对不可能为25℃,通常远远高于25℃,有些应用达到100-120℃,一些极端的应用甚至会更高,这样数据表中的SOA曲线很难对实际的应用提供有用的参考价值。使用RJA折算成TA=25℃时的电流和电压值作出SOA曲线,相对的可以对实际的应用提供一些参考。

 

采用行业内的标准使用计算的方法所得到的SOA曲线,由于大多工作在线性区,计算过程不可能考虑到功率MOSFET的热电效应。在过去的时候,功率MOSFET采用平面的结构,每个单元的间隔大,很少会产生局部的热集中,基于TA=25℃的SOA曲线和实际的应用比较接近,偏差也较小。


由于技术不断的进步,目前通常采用沟槽以及SGT技术,单元的密度急剧提高,单元和单元间的间距小,容易相互加热产生局部的热集中,导致内部的单元不平衡,热电效应的影响明显的增强,特别是高压的时候,内部的电场外强度大,进一步增加热电效应。因此,使用线性区的功率计算的SOA曲线,和实际的应用偏差非常大。

 

对于大多开关电源和电力电子的应用,功率MOSFET工作在高频的开关状态,完全的导通或截止,米勒电容产生的米勒平台的线性区,也就是产生开关损耗的区间,持续的时间非常短,通常是几个或几十个ns,因此使用测量到的功率MOSFET电压和电流的波形,在SOA曲线的线性区描点,来校核功率MOSFET是否安全工作,这种方法并不正确,特别是在TC=25℃的SOA曲线中进行这样的校核完全没有意义。当功率MOSFET工作在高频的开关状态时,计算功率MOSFET的总体损耗,由热阻来校核结温,更有意义一些。


3、功率MOSFET的SOA曲线分析


下面分析几个SOA曲线数据表中的例子,来进一步理解SOA曲线的定义。


3.1 AON6590


图2:AON6590的SOA曲线


(1) 从SOA曲线漏源极导通电阻RDS(ON)限制的斜率,来计算导通电阻:

RDS(ON) = (0.1-0.03)/(60-20) = 0.00175Ohm

 

在数据表中可以得到TJ=25℃时RDS(ON)远小于SOA曲线的计算值,因此它的取值应该是TJ=150℃时的值。

 

不同的公司在SOA曲线中,导通电阻RDS(ON)限制的斜线所采用的的RDS(ON)的值,有些公司取TJ=25℃,有些公司取TJ=150℃,有些公司取TJ=175℃,而且对于相应的温度,取典型值还是最大值,也不相同。条件越严格,SOA曲线的范围就越小。



(2)最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压,这条直线的定义比较简单,当然当测试条件不同时,额定电压的值也会不同。

 


(3)最上面的电流水平线,由最大的脉冲漏极电流IDM的限制,SOA曲线和数据表中的值都为400A,基于TC=25℃。


最低DC的电流水平线,SOA曲线和数据表中的值都为100A,基于TC=25℃。右上方平行的斜线组,列出了DC、不同的单脉冲宽度下,10ms、1ms、100us、10us的计算值斜线。


基于最高的结温的允许温升、热阻或瞬态热阻,那么最高的允许的功率就可以确定,对于一个确定的电压VDS,就可以计算相应的电流ID,这些斜线组相当于在TC=25℃时,工作在线性区的功率限制的计算值。


3.2 IPB117N20NFD



图3:IPB117N20NFD的SOA曲线

 

(1) 从SOA曲线漏源极导通电阻RDS(ON)限制的斜率,来计算导通电阻:

RDS(ON) = (1-0.1)/(30-3) = 0.033Ohm




(2)最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压,200V。




  (3)最上面的电流水平线,由最大的脉冲漏极电流IDM的限制,SOA曲线和数据表中的值都为336A,基于TC=25℃。


最低DC的电流水平线,SOA曲线和数据表中的值都为84A,基于TC=25℃。右上方平行的斜线组,列出了DC、不同的单脉冲宽度下,10ms、1ms、100us、10us、1us的计算值斜线。


4、实测功率MOSFET的SOA曲线

 

一些应用中,功率MOSFET完全工作在线性区或较长的时间工作在线性区,那么,为了保证功率MOSFET的可靠性,就要测量真正的SOA曲线,以避免热电效应所产生的破坏。设计的时候,要保证有一定的裕量,从而保证系统的安全,如下图IRFB4410和IRL40B212的SOA曲线。



图4:IRFB4410的SOA曲线



图5:IRL40B212的SOA曲线


负载开关及热插拔较长时间工作在导通电阻的负温度系数区,分立MOSFET组成的LDO一直工作在负温度系数区,也就是上面所谓的线性区,以后会推送文章说明这二种应用设计的要点。


推送完VTH和开关过程的内容后,就会到雪崩及雪崩电流,谢谢朋友们的关注


关于MOSFET其它的技术文章,可以参考以下链接:

· 功率MOSFET结构及缺点

· 功率MOSFET基础

· 功率MOSFET的热阻特性

· 功率MOSFET的电流

· 功率MOSFET的RDS(ON)负湿度系数特性



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