分享MOS管工作在安全區(qū)的方法

電子工程師最怕的是什么？不用想，肯定是炸機(jī)!用著用著就壞了，莫名其妙MOS管就炸了，可到底是哪里出問題了呢?這一切都和SOA相關(guān)。

大家都知道開關(guān)電源中MOS管、 IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開關(guān)器件長(zhǎng)期工作于高電壓大電流狀態(tài)，承受著很大的功耗，一但過壓或過流就會(huì)導(dǎo)致功耗大增，晶圓結(jié)溫急劇上升，如果散熱不及時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致器件損壞，甚至可能會(huì)伴隨爆炸，非常危險(xiǎn)。這里就衍生一個(gè)概念，安全工作區(qū)。

什么是安全工作區(qū)？

安全工作區(qū)：SOA(Safe operating area)是由一系列(電壓，電流)坐標(biāo)點(diǎn)形成的一個(gè)二維區(qū)域，開關(guān)器件正常工作時(shí)的電壓和電流都不會(huì)超過該區(qū)域。簡(jiǎn)單的講，只要器件工作在SOA區(qū)域內(nèi)就是安全的，超過這個(gè)區(qū)域就存在危險(xiǎn)。

功率MOS管的安全工作區(qū)（SOA）受最大漏源電壓VDSmax ，最大漏極電流IDmax ，最大允許功耗Pmax和導(dǎo)通電阻Ron4個(gè)參數(shù)的限制。其中VDSmax 即為漏源擊穿電壓VBR，IDmax即為漏極飽和電流IDsat，而Pmax則由溫度及熱阻決定，可表示為：

式中：Tjmax為最高工作結(jié)溫；TC為環(huán)境溫度；Rthjc為熱阻，由散熱方式?jīng)Q定。當(dāng)器件工作時(shí)，所產(chǎn)生的熱量和散熱器所散發(fā)的熱量相等，處于熱平衡態(tài)。當(dāng)TC升高，散熱器的散熱效率降低，導(dǎo)致 P max 減小。

根據(jù)上述分析可知，T升高，Ron增大，IDmax 減小，VDSmax 增大，Pmax減小。 下圖示出功率MOSFET的SOA示意圖。

由下圖可見，與功率晶體管相比，功率MOSFET 雖不存在由雙極晶體管過熱引起的二次擊穿現(xiàn)象， SOA 相對(duì)較寬，但在高溫下，功率MOSFET的SOA縮小，允許通過的最大電流下降。所以，使用時(shí)要注意將功率 MOSFET 的漏極電流控制在SOA內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致器件失效。

SOA具體如何應(yīng)用和測(cè)試？

開關(guān)器件的各項(xiàng)參數(shù)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中都會(huì)明確標(biāo)注，這里我們先來解讀兩個(gè)參數(shù)：

1、VDS(Drain-source voltage)：漏源電壓標(biāo)稱值，反應(yīng)的是漏源極能承受的最大的電壓值;

2、IDM(Drain current(pulsed))：漏源最大單脈沖電流(非重復(fù)脈沖)，反應(yīng)的是漏源極可承受的單次脈沖電流強(qiáng)。

圖 開關(guān)器件參數(shù)表

器件手冊(cè)一般都會(huì)提供SOA(Safe operating area)數(shù)據(jù)圖表，主要和晶圓的散熱、瞬間電壓和電流的承受能力有關(guān)，通過IDM和VDS及器件晶圓溝道損耗的限制形成一個(gè)工作區(qū)域，稱為安全工作區(qū)，如下圖所示。安全工作區(qū)可以避免管子因結(jié)溫過高而損壞。

圖 器件手冊(cè) SOA 曲線圖

示波器的測(cè)試應(yīng)用非常簡(jiǎn)單，使用電壓、電流探頭正常測(cè)試開關(guān)管的VDS和IDM，并打開SOA分析功能，對(duì)照數(shù)據(jù)手冊(cè)的SOA數(shù)據(jù)設(shè)置好示波器的SOA參數(shù)即可。一但波形觸碰到安全區(qū)以外的區(qū)域，就說明器件超額工作，存在危險(xiǎn)。

示波器的SOA分析功能有哪些作用?

1、支持連續(xù)測(cè)試，并統(tǒng)計(jì)通過及失敗的總數(shù)次，該模式可用于連續(xù)烤機(jī)測(cè)試。

2、支持觸碰(波形超出安全區(qū)域)停止、自動(dòng)截圖、聲音提示操作。

3、安全工作區(qū)可通過電壓、電流、功率限制設(shè)定，也可自定義設(shè)定。

圖 示波器SOA測(cè)試波形圖