學(xué)技術(shù) | 【大大魚乾的模擬電源講堂】如何繪制MOSFET SOA曲線

我們這堂課來講講電源結(jié)構(gòu)最重要的其中一個(gè)元件—功率開關(guān)元件。

大功率的開關(guān)元件例如BJT、IGBT、MOSFET等，都有所謂的SOA（Safe Operating Area安全操作區(qū)域）、是用來評(píng)價(jià)大功率的開關(guān)元件操作是否安全可靠的判斷機(jī)制，甚至當(dāng)大功率的開關(guān)元件發(fā)生損壞時(shí)，也是透過SOA的計(jì)算結(jié)果來加以確認(rèn)。

我們這邊用最常用的MOSFET來舉例說明：

SOA（安全操作區(qū)域）

SOA是由5條limit線所圍起來的一個(gè)區(qū)域，在任何測(cè)試條件下都必須讓MOSFET操作在SOA的范圍之內(nèi)，才能確保MOSFET在操作上是安全可靠的。

而這5條limit線分別為Rds-on、pulse電流、maximum功率、熱穩(wěn)定與breakdown電壓

Rds-on limit線

SOA橫軸是Vds，縱軸是Ids，依據(jù)歐姆定律（V = I x R），斜率為Rds-on。

Rds-on為正溫度系數(shù)，當(dāng)溫度低時(shí)，Rds-on電阻值也會(huì)比較低，在相同電壓下，就會(huì)得到較大的電流，而當(dāng)溫度高時(shí)，Rds-on電阻值也會(huì)比較高，在相同電壓下，就會(huì)得到較小的電流，因此Rds-on limit線是浮動(dòng)的。而一般data sheet內(nèi)SOA的Rds-on limit線是建立在Tj=150℃下所繪制出來的曲線

以SPP20N60C3為例

先設(shè)定二個(gè)Vds電壓點(diǎn)，假設(shè)分別為2V與10V，再透過Rds-on對(duì)應(yīng)Tj的曲線，得出Rds-on值，代入算式即可計(jì)算出此時(shí)之Id電流，描繪出Rds-on limit線

Pulse current limit線

高壓MOSFET的peak pulse電流是來自silicon的限制，而低壓MOSFET的peak pulse電流是來自包裝的限制。pulse電流是一個(gè)計(jì)算值（已標(biāo)示在data sheet內(nèi)）

以SPP20N60C3為例

透過上述算式得出Id，pulse電流值，即可描繪出Pulse current limit線

Maximum power limit線

Maximum power是建立在一個(gè)前提下的條件，功率的消耗會(huì)相等于功率的產(chǎn)生，

Tj = Tc +Δt，而Δt = VDS x ID x Zthjc，SOA在maximum power是電壓與電流乘積產(chǎn)生的功率，功率再乘以熱阻值就會(huì)產(chǎn)生溫升。

以SPP20N60C3為例

透過Zthjc與tp的曲線，對(duì)照出不同時(shí)間下的Zthjc，再透過算式先求出當(dāng)Tc=25℃時(shí)所能提供的功率PD，再分別取二個(gè)Vds的電壓點(diǎn)來計(jì)算出電流，即可描繪出Maximum power limit線

Thermal stability limit線

依據(jù)熱穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)結(jié)果來修正SOA曲線

Breakdown voltage limit線

Breakdown voltage則是與溫度相關(guān)，它是正溫度系數(shù)，SOA的Breakdown voltage limit線是建立在Tj=25℃下所繪制出來的曲線

以SPP20N60C3為例

依照魚干我的經(jīng)驗(yàn)：腳越少的半導(dǎo)體元件處理起來比很多腳的IC更復(fù)雜，因?yàn)?a href="http://ttokpm.com/tags/pi/" target="_blank">pin少所以要分析得更細(xì)更精辟…@@||

SOA的分析有利于在設(shè)計(jì)初期就先驗(yàn)證理論上是否可行？理論上可行再套用在實(shí)際硬件上。

萬一不幸在硬件測(cè)試階段發(fā)生“事故”時(shí)，我們也可以從“幸存”的樣機(jī)上去測(cè)量波形、并套用SOA的分析去找出問題的原因及改善對(duì)策。

<小貼士>

本堂只是淺談MOSFET的SOA分析，其實(shí)MOSFET還有傳導(dǎo)損失（Conduction loss）及開關(guān)損失（Switching loss）需要再去計(jì)算與分析，這些會(huì)影響SOA的細(xì)節(jié)請(qǐng)待我們到”中”學(xué)堂的部份再深入探討唄^_^y