Ha kíváncsi vagy aggódik, hogy a MOSFET pontosan mennyi energiát képes elviselni extrém körülmények között vagy extrém disszipatív helyzetekben, akkor a készülék SOA-adatai pontosan azok, amelyekre érdemes figyelni.
Ebben a bejegyzésben átfogóan megvitatjuk a biztonságos működési területet vagy a SOA-t, amint az a MOSFET adatlapján megjelenik.
Az alábbiakban a MOSFET biztonságos működési területe vagy a SOA-grafikon látható, amely általában látható Texas Instruments adatlapokat.
A MOSFET SOA-t olyan nagyságként írják le, amely meghatározza a FET maximális teljesítményét, amikor a telítettségi tartományban működik.
A SOA grafikon nagyított pillantása az alábbi következő képen látható.
A fenti SOA-grafikonon mindezeket a korlátozásokat és határokat láthatjuk. És a grafikon mélyebb részén további korlátozásokat találunk sokféle egyedi impulzus időtartamára. Ezeket a grafikonon belüli vonalakat pedig számításokkal vagy fizikai mérésekkel lehetett meghatározni.
Korábbi és régebbi adatlapokban ezeket a paramétereket számított értékekkel becsülték meg.
Általában azonban ajánlott ezeket a paramétereket gyakorlatilag megmérni. Ha képletek alapján értékeli őket, akkor hipotetikus értékeket kaphat, amelyek szó szerint sokkal nagyobbak lehetnek, mint amilyet a FET elvisel a valós világban. Vagy talán kicsinálhatja (túlkompenzálja) a paramétereket egy olyan szintre, amely túlságosan visszafogott lehet ahhoz képest, amivel a FET valóban foglalkozni tud.
Következő megbeszéléseink során tehát megtanuljuk a SOA paramétereket, amelyeket valós gyakorlati módszerekkel értékelünk, és nem képletek vagy szimulációk segítségével.
Kezdjük azzal, hogy megértsük, mi a telítettség és a lineáris mód a FET-ekben.
Lineáris mód vs Telítettség mód
A fenti grafikonra hivatkozva a lineáris módot olyan régióként definiáljuk, amelyben a FET RDS (be) vagy lefolyó-forrás ellenállása következetes.
Ez azt jelenti, hogy a FET-en áthaladó áram egyenesen arányos a FET-en keresztüli lefolyás-forrás előfeszítéssel. Gyakran ohmikus régiónak is nevezik, mivel a FET lényegében egy fix ellenálláshoz hasonlóan működik.
Most, ha elkezdjük növelni a lefolyóforrás előfeszültségét a FET-re, végül azt találjuk, hogy a FET a telítési régiónak nevezett régióban működik. Miután a MOSFET művelet a telítettségi tartományba kényszerült, az áram (amper), amely a MOSFET-en keresztül a lefolyón keresztül a forrás felé halad, már nem reagál a lefolyás-forrás torzító feszültség növekedésére.
Ezért függetlenül attól, hogy mennyire növeli a lefolyó feszültséget, ez a FET továbbra is egy rögzített maximális áramszintet továbbít rajta.
Az egyetlen mód az áram kezelésére általában a kapu-forrás feszültség megváltoztatása.
Ez a helyzet azonban kissé elgondolkodtatónak tűnik, mivel ezek általában a lineáris és telítettségi tartomány tankönyvleírásai. Korábban megtudtuk, hogy ezt a paramétert elég gyakran ohmikus régiónak nevezik. Ennek ellenére néhány ember ezt valóban lineáris régiónak nevezi. Talán az a gondolkodásmód, hogy ez egyenesnek tűnik, tehát lineárisnak kell lennie?
Ha észreveszi, hogy a hot-swap alkalmazásokról beszélgetnek, akkor kifejezni fogják, nos, lineáris régióban dolgozom. De ez lényegében technológiai szempontból nem megfelelő.
A MOSFET SOA megértése
Most, hogy tudjuk, mi a FET telítési régió, most részletesen áttekinthetjük a SOA grafikonunkat. A SOA 5 egyéni korlátozásra bontható. Tanuljuk meg, mik is pontosan.
RDS (be) korlátozás
A grafikon első, szürke színű sora a FET RDS (be) korlátozását jelenti. És ez az a terület, amely a készülék bekapcsolási ellenállása miatt hatékonyan korlátozza a FET-en keresztüli maximális árammennyiséget.
Más szavakkal, a MOSFET legnagyobb ellenállását jelzi, amely a MOSFET maximálisan tolerálható csatlakozási hőmérsékleténél fennállhat.
Megfigyelhetjük, hogy ennek a szürke vonalnak pozitív állandó az egység meredeksége, egyszerűen azért, mert ezen a vonalon belül minden pont azonos mennyiségű ON ellenállással rendelkezik, Ohm törvényének megfelelően, amely szerint R egyenlő V egyenlő osztva I-vel.
Áramkorlátozás
A SOA grafikon következő korlátozási sora az aktuális korlátozást ábrázolja. A grafikonon fent láthatók a kék, zöld, ibolya vonalakkal jelölt különböző impulzusértékek, amelyeket 400 ampernél korlátoz a felső vízszintes fekete vonal.
A RED vonal rövid vízszintes szakasza az eszköz csomaghatárát, vagy a FET folyamatos áramhatárát (DC) jelzi 200 amper körül.
Maximális teljesítménykorlátozás
A harmadik SOA korlátozás a MOSFET maximális teljesítménykorlátozó vonala, amelyet a narancssárga lejtős vonal képvisel.
Amint észrevesszük, ez a vonal állandó, de negatív meredekséggel rendelkezik. Állandó, mivel ezen a SOA teljesítményhatáron minden pont ugyanazt az állandó teljesítményt hordozza, amelyet a P = IV képlet képvisel.
Ennélfogva ebben a SOA logaritmikus görbében ez -1 meredekséget generál. A negatív előjel annak a ténynek köszönhető, hogy a MOSFET-en keresztüli áramáram itt csökken a lefolyó-forrás feszültségének növekedésével.
Ez a jelenség elsősorban a MOSFET negatív együtthatójellemzőinek tudható be, amely a csatlakozási hőmérséklet növekedésével korlátozza az áramot az eszközön keresztül.
Hőstabilitás korlátozása
Ezután a biztonságos működési területén a negyedik MOSFET korlátozást a sárga lejtős vonal jelzi, amely a termikus instabilitás korlátozását jelenti.
A SOA ezen régiójában válik igazán döntővé az eszköz működőképességének tényleges mérése. Ennek oka, hogy ezt a termikus instabilitási régiót semmilyen megfelelő eszközzel nem lehet megjósolni.
Ezért gyakorlatilag elemeznünk kell a MOSFET-et ezen a területen, hogy kiderítsük, hol bukhat meg a FET, és pontosan mi az adott eszköz működőképessége?
Így most láthatjuk, ha ezt a maximális teljesítménykorlátozást tennénk, és egészen a sárga vonal alján meghosszabbítanánk, akkor hirtelen mit találunk?
Megállapítottuk, hogy a MOSFET meghibásodáskorlátozása nagyon alacsony szinten landol, ami sokkal alacsonyabb értéket mutat az adatlapon támogatott maximális teljesítménykorlátozó régióhoz képest (amelyet a narancssárga meredekség képvisel).
Vagy tegyük fel, hogy túlságosan konzervatívak vagyunk, és azt mondjuk az embereknek, hogy, hé nézd, a sárga vonal alsó része valójában az, amit a FET maximálisan képes kezelni. Nos, lehet, hogy a legbiztonságosabb oldalon állunk ezzel a nyilatkozattal, de akkor talán túlkompenzáltuk az eszköz teljesítménykorlátozási képességét, ami nem biztos, hogy ésszerű, igaz?
Éppen ezért ezt a termikus instabilitási régiót nem lehet formulákkal meghatározni vagy állítani, hanem ténylegesen tesztelni kell.
Megszakítási feszültség korlátozása
Az SOA grafikon ötödik korlátozási régiója a megszakítási feszültség korlátozása, amelyet a fekete függőleges vonal képvisel. Ami csupán a FET maximális lefolyóforrás-feszültség-kezelési kapacitása.
A grafikon szerint a készülék 100 voltos BVDSS-sel rendelkezik, ami megmagyarázza, miért érvényesítik ezt a fekete függőleges vonalat 100 voltos Drain-Source jelen.
Érdekes lenne egy kicsit jobban megvizsgálni a hőstabilitás korábbi fogalmát. Ennek megvalósításához le kell vázolnunk egy „hőmérsékleti együtthatónak” nevezett kifejezést.
MOSFET hőmérsékleti együttható
A MOSFET hőmérsékleti együttható meghatározható az áram változásaként a MOSFET csatlakozási hőmérsékletének változása felett.
Tc = ∂ID / ∂Tj
Ezért amikor megvizsgáljuk az MOSFET adatátviteli jellemzőinek görbéjét az adatlapjában, megtaláljuk a FET lefolyó-forrás áramát a FET növekvő kapu-forrás feszültségével szemben, és azt is tapasztaljuk, hogy ezeket a jellemzőket 3 különböző hőmérsékleti tartományok.
Nulla hőmérsékleti együttható (ZTC)
Ha a narancssárga körrel ábrázolt pontot nézzük, akkor ezt jelölnénk a MOSFET nulla hőmérsékleti együtthatója .
Ezen a ponton, még akkor is, ha a készülék csatlakozási hőmérséklete folyamatosan növekszik, a FET-en keresztüli áramátvitel nem javul.
∂ID/ ∂Tj = 0 , hol énD a MOSFET lefolyóárama, Tj a készülék csatlakozási hőmérsékletét jelöli
Ha a nulla hőmérsékleti együttható (narancssárga kör) feletti régiót nézzük, amikor a negatív -55-ről 125 Celsius-fokra lépünk, akkor a FET-en keresztüli áram valójában csökkenni kezd.
∂ID/ ∂Tj <0
Ez a helyzet jelzi, hogy a MOSFET valóban egyre forróbb, de az eszközön keresztül elvezetett teljesítmény egyre alacsonyabb. Ez azt jelenti, hogy valójában nem áll fenn az eszköz instabilitásának veszélye, és az eszköz túlmelegedése megengedett lehet, és a BJT-kkel ellentétben valószínűleg nincs veszélye a termikus elszabadulásnak.
Azonban a nulla hőmérsékleti együttható (narancssárga kör) alatti régió áramlatainál azt a tendenciát vesszük észre, amikor az eszköz hőmérsékletének növekedése, vagyis a negatív -55 és 125 fok közötti érték okozza a az eszköz valójában növekszik.
∂ID/ ∂Tj > 0
Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a MOSFET hőmérsékleti együtthatója ezeken a pontokon magasabb, mint nulla. Másrészt a MOSFET-en keresztüli áramnövekedés arányos növekedést okoz a MOSFET RDS-jében (be) (lefolyó-forrás ellenállás), és a készülék testhőmérsékletének arányos emelkedését is okozza fokozatosan, ami további áramhoz vezet átvitel az eszközön keresztül. Amikor a MOSFET a pozitív visszacsatolási hurok ebbe a területébe kerül, instabilitás alakulhat ki a MOSFET viselkedésében.
Azt azonban senki sem tudja megmondani, hogy a fenti helyzet bekövetkezhet-e, vagy sem, és nincs könnyű megjósolni az előrejelzést, amikor ilyen instabilitás léphet fel a MOSFET-en belül.
Ennek oka az, hogy rengeteg paraméter kapcsolódhat a MOSFET-hez, annak magától a sűrűség-struktúrától vagy a csomag rugalmasságától, hogy a hőt a MOSFET-testen keresztül egyenletesen eloszlatja.
Ezen bizonytalanságok miatt minden egyes MOSFET esetében meg kell erősíteni azokat a tényezőket, mint a termikus elszabadulás vagy a jelzett régiókban bekövetkező hőstabilitás. Nem, a MOSFET ezen tulajdonságait nem lehet egyszerűen kitalálni a maximális teljesítményveszteség-egyenlet alkalmazásával.
Miért olyan fontos a SOA?
A SOA-adatok kritikusan hasznosak lehetnek a MOSFET-alkalmazásokban, ahol az eszközt gyakran a telítettségi területeken működtetik.
Ez is hasznos forrócsere vagy Oring vezérlő alkalmazások, ahol elengedhetetlen fontosságú tudni, hogy a MOSFET pontosan mekkora teljesítményt képes elviselni, hivatkozva SOA-táblázataikra.
Gyakorlatilag azt fogja tapasztalni, hogy a MOSFET biztonságos működési terület értékei általában nagyon hasznosak a motorvezérléssel, inverterrel / konverterrel vagy SMPS termékekkel foglalkozó legtöbb fogyasztó számára, ahol az eszközt általában extrém hőmérsékleti vagy túlterhelési körülmények között működtetik.
Források: MOSFET képzés , Biztonságos működési terület
Előző: Hogyan működik az IC LM337: Adatlap, alkalmazási áramkörök Következő: D osztályú szinuszhullámú inverter áramkör
