功率MOSFET安全工作區(qū)SOA曲線概念分析

1 引言

現(xiàn)代功率MOSFETs的發(fā)展趨勢是向著更高開關(guān)頻率和更低導通電阻發(fā)展，因此現(xiàn)代的功率MOSFETs相較于10年前的功率MOSFETs，為滿足更低導通電阻要求，硅基die的面積越來越小，隨之而來的問題是處理跟RDS(on)相關(guān)問題的能力減弱，比如MOSFETs工作在線性工作模式時，同時承受高電壓和大電流，功率損耗很大，擁有比較大的RDS(on)能夠更好地解決高功率損耗問題。

功率MOSFETs的安全工作區(qū)(SOA Safe Operating Area)定義了其允許承受的最大電壓電流范圍。所有的功率MOSFETs的選型設(shè)計必須考慮SOA的范圍，尤其是線性工作模式。線性工作模式涉及到電流飽和區(qū)的輸出特性， 漏電流(Ids)與漏源極電壓相對獨立，主要依賴于門極電壓(Vgs)。圖1中紅色區(qū)域為線性工作區(qū)，藍色區(qū)域為可變電阻區(qū)，漏源極電壓與漏極電流滿足歐姆定律。

圖1 功率MOSFET的輸出特性曲線

本文首先對安全工作區(qū)的概念進行分析理解，再根據(jù)具體的線性工作模式應(yīng)用來驗證正確的安全工作區(qū)選擇的重要性！

2. 功率****MOSFET安全工作區(qū)SOA曲線

功率MOSFET有正向偏置SOA曲線(Forward Bias SOA, (FBSOA))和反向偏置SOA曲線(Reverse Bias SOA, (RBSOA))，數(shù)據(jù)表中一般是FBSOA曲線，這個安全工作區(qū)SOA曲線定義了最大的漏源極電壓值、漏極電流值，以保證器件在正向偏置時安全的工作。

圖2為Infineon功率MOSFET(BSC010NE2LS)的安全工作區(qū)SOA，藍色邊界斜線受導通電阻RDS(ON)限制；紅色邊界線受最大的脈沖漏極電流IDM的限制；深綠色邊界線受最大功率限制；淺綠色邊界線受溫度限制；黃色邊界線受最大的漏源極電壓BVDSS。圖2所給出的SOA曲線是在Tc=25°C 和100μs的單脈沖條件下計算得到的，數(shù)據(jù)手冊還提供了其他條件下的SOA曲線。下面將具體闡述SOA限制條件的推導過程。

圖2 功率MOSFET的SOA曲線

(1) SOA曲線左側(cè)藍色邊界斜線，受漏源極的導通電阻RDS(ON)限制。因為在一定的VGS的電壓下，功率MOSFET都有一個確定的RDS(ON)，VDS 和IDS 呈線性關(guān)系。

功率MOSFET數(shù)據(jù)表中的RDS(ON)特性和測試條件，在不同的溫度以及在不同的脈沖電流及脈沖寬度條件下，RDS(ON)的值都會不同，在實際的應(yīng)用過程中，這條曲線的斜率因條件的不同而不同。

(2) 導通電阻限制后的紅色限制線定義了特定封裝下的最大漏極電流，因此IDM的值與封裝類型有很大的關(guān)系。DPAK封裝的最大漏極電流IDM與SuperSO8封裝的最大漏極電流IDM大很多，此外因為MOSFET的die會影響到bond wire的數(shù)量與尺寸，所以不同尺寸的die也會決定MOSFET的最大漏極電流IDM。

(3) 最大功率限制線是系統(tǒng)在Tj =150°C 下能夠穩(wěn)定工作的最大功率計算值，因此最大功率限制值與系統(tǒng)的散熱條件以及MOSFET的熱阻系數(shù)(ZthJC)有很大關(guān)系。最大功率限制線可由下面熱阻公式估算得到。

首先假設(shè)，

由熱阻模型可得IDS和VDS之間的關(guān)系

由上述等式可得如下結(jié)論，

*漏極電流IDS與允許的最大溫升ΔTmax也就是與當前的Tc和最大Tj相關(guān)。
*漏極電流IDS與熱阻系數(shù) ZthJC有關(guān)， 脈沖輸出條件下的ZthJC值又與脈沖長度和占空比有關(guān)，ZthJC的值可以從數(shù)據(jù)表中得到，從SOA曲線可以得出脈沖時間越長，最大溫升限制線越靠下。
*隨著功率損耗的增加，漏極電流IDS也隨漏源極電壓VDS增加而降低。

(4) 對于熱穩(wěn)定限制線的理解，首先必須理解熱不穩(wěn)定性的標準，如果功率MOSFET的單位溫升條件下功率輸出(Pgenerated)快于功率耗散 (Pdissipated)，即，

在這種情況下，系統(tǒng)不像最大功率限制線，是達不到熱平衡的。由下式可得到不等式

在不等式中，d IDS /dT稱為溫度系數(shù)，VDS>0,熱阻系數(shù)ZthJC>0, 所以熱不平衡的情況只能發(fā)生在溫度系數(shù)為正的情況下，MOSFET數(shù)據(jù)手冊中的傳遞特性曲線圖給出了不同溫度下的漏極電流IDS對VGS的關(guān)系，如圖3所示為Infineon的MOSFET的傳遞函數(shù)特性曲線，在VGS = 5V時，Tj=25°C 和Tj=150°C漏極電流IDS的上升快于溫度的上升，在VGS = 6V時，Tj=25°C 和Tj=150°C漏極電流IDS的上升慢溫度的上升，中間交叉點可以作為零溫度系數(shù)點(ZTC), 很明顯，熱不平衡發(fā)生在VGS小于ZTC對應(yīng)的VGS點。

圖3. 功率MOSFET的傳輸特性曲線圖

溫度系數(shù)隨VGS由正變?yōu)樨撚袃蓚€原因?qū)е?，一方面，由于晶陣?a target="_blank">電子遷移率較低，MOSFET的RDS(on)隨溫度升高而增大。另一方面，由于更多的電子被激活到傳導區(qū)，MOSFET的閾值電壓隨溫度的升高而降低。在低溫條件下，閾值電壓隨溫度的升高而降低，電流隨溫度的升高而增大。在較高的溫度下，RDS(on)隨溫度的升高而增大，且成為主導因素，電流隨溫度的降低而減小。

如上圖所示，VGS在ZTC點以下會發(fā)生熱不穩(wěn)定的現(xiàn)象。因此，MOSFET的ZTC點越靠近大電流和高VGS電壓，越容易發(fā)生熱不穩(wěn)定性。ZTC點與MOSFET的跨導有直接關(guān)系，隨著跨導的增加，ZTC點將向更高的VGS方向移動?，F(xiàn)代功率MOSFET的跨導不斷增加，因此ZTC的點也隨之增加。

當比較數(shù)據(jù)表中25V和150V MOSFET(如30V OptiMOS? vs 150V OptiMOS? 3)的跨導曲線時，我們會發(fā)現(xiàn)對于150V MOSFET，ZTC點位于較低的電流和VGS電壓下。這是因為對于高電壓等級的MOSFET(如150V)， RDS(on)隨溫度的升高將決定跨導隨溫度的變化，因為它們具有更厚的EPI層，更低的單元間距以及與低壓MOSFET (25V)相比，更低的摻雜濃度。

在討論了熱不穩(wěn)定性原因之后，熱不穩(wěn)定性下的破壞機制可以解釋為：一般假設(shè)MOSFET上的溫度分布是均勻的，因此Tj在整個芯片上是相同的，但事實上并非如此。模具與封裝之間存在如焊料厚度導致的小的不均勻性，它們將使局部有個小的溫升。這種局部溫差將隨著MOSFET運行于ZTC的左右的不同而變化:

*MOSFET運行于ZTC之上，溫度系數(shù)為負，溫度越高的地方流過的電流越少，溫度就越低。MOSFET就會逐漸趨于熱平衡，初始溫度變化變得無關(guān)緊要。
*MOSFET運行于ZTC之下，溫度系數(shù)為正，當局部熱點溫度升高時，更多的電流流過該熱點。這將導致局部功耗增加和進一步熱量增加，最終導致熱失控和芯片的局部破壞。

最后，必須解決如何根據(jù)不同于數(shù)據(jù)表的應(yīng)用條件調(diào)整熱不穩(wěn)定性線的問題。熱不穩(wěn)定限制線的設(shè)定為

這意味著溫度系數(shù)必須是已知的，后者不容易計算。最直接的熱不穩(wěn)定限制線的計算方法是根據(jù)以下步驟:

熱不穩(wěn)定限制線的公式為:

其次可以在SOA關(guān)系圖中計算和繪制任意給定Tc、最大Tj和脈沖長度下的RDS(on)限制線、最大電流限制線和最大功耗限制線。如圖4中，利用A、B兩點計算得到系數(shù)α和β。

圖4 熱不穩(wěn)定限制線的計算示意圖

(4) SOA曲線右邊垂直的邊界，是最大的漏源極電壓BVDSS。BVDSS是功率MOSFET數(shù)據(jù)表中所標稱的最小值。同樣的，在不同的測試條件下這個值也會不同，特別是采用更高的測試電流IDSS時，名義的標稱值就會偏高，而實際的工作范圍就會減小。

到目前為止，已經(jīng)討論了SOA圖中的各種限制線。數(shù)據(jù)表通常提供Tc=25°C、Tjmax=150°C和各種單脈沖長度的SOA關(guān)系圖。現(xiàn)在，可以重新計算SOA關(guān)系圖以適應(yīng)不同于數(shù)據(jù)表條件的應(yīng)用。

3. 功率MOSFETs的線性模式工作

MOSFET的許多應(yīng)用都存在線性工作模式，而線性模式工作一般都會涉及到安全工作區(qū)SOA的限制，尤其是連續(xù)長時間的線性工作模式。下面就典型的線性工作模式以及與SOA的限制關(guān)系進行分析理解。

功率MOSFET傳統(tǒng)的線性模式工作應(yīng)用-電池充電器，風扇控制器

如圖5所示，風扇控制器中的功率MOSFET用作電流源，風扇速度(或電池充電器的充電電流)是由通過風扇的電流大小控制的，而電流完全由MOSFET控制，這意味著MOSFET必須在線性模式下工作，改變VGS電壓會改變流經(jīng)電機的電流，從而改變風扇轉(zhuǎn)速。圖5的右側(cè)顯示了MOSFET的輸出特性，根據(jù)圖表，通過MOSFET的電壓VDS將是輸入電壓減去通過風扇的電壓降，可能高達7.5V，通過MOSFET的電流可以根據(jù)風扇速度的不同而在0~15A變化，因此，MOSFET的功耗可以達到最大112.5W。

為了確保MOSFET的安全運行，必須選擇性能良好的封裝(低RthJC和RthJA值)和適當?shù)睦鋮s處理措施(風扇冷卻和/或散熱器冷卻)。當MOSFET作為風扇轉(zhuǎn)速控制器時，其線性工作模式為連續(xù)工作模式，電流(風扇轉(zhuǎn)速)僅由VGS電壓控制。由于MOSFET只在線性模式下工作，所以在計算功耗時，MOSFET的功率損耗與RDS(on)完全無關(guān)，只取決于MOSFET上的電壓和電流:Pdiss=VDS * IDS。

Fig. 5 MOSFET used as constant current source

部分線性模式操作e-fuse，負載開關(guān)

在e-fuse或負載開關(guān)的應(yīng)用中，MOSFET可以用來保持緩慢開通，以避免高inrush電流的沖擊。對于e-fuse應(yīng)用，e-fuse控制器感測電流的大小并通過改變MOSFET VGS電壓來控制電流，在此過程中，MOSFET短暫地以線性方式工作，VGS電壓緩慢增加，直到全部電流通過，最后MOSFET工作在歐姆區(qū)。圖6給出了e-fuse應(yīng)用下MOSFET的工作輸出特性曲線圖。

當MOSFET用作負載開關(guān)時，會出現(xiàn)相同的三種操作狀態(tài)。MOSFET的關(guān)鍵是線性模式持續(xù)的時間，這取決于負載開關(guān)控制器(或e-fuse控制器)時間間隔，典型的計時時長是μs級的，甚至也可能達到ms，但重要的是要詳細了解跟這個時序的電壓和電流應(yīng)力，以推算出是否超出MOSFET的SOA區(qū)域。

圖6. e-fuse應(yīng)用下MOSFET的工作輸出特性曲線圖

短暫線性模式工作-Buck轉(zhuǎn)換器開關(guān)MOSFET

Buck變換器中高邊MOSFET開關(guān)，它在開通的過程中會有很短的一段時間進入線性模式運行。例如從MOSFET的VGS電壓正好達到閾值電壓(VGS(th))時，一直到漏源極電壓VDS為零，這段時間MOSFET工作在線性模式，這段時間對應(yīng)于米勒平臺區(qū)。然而，現(xiàn)代功率mosfet的開關(guān)時間極短，最先進的25V-250V MOSFET能夠在幾納秒(<10ns)內(nèi)從截止區(qū)變換到歐姆區(qū)。

在高性能buck變換器中，高邊MOSFET的線性模態(tài)運行時長只有幾個ns。該實例還表明，通過引入外部柵極電阻(Rg)或利用慢速驅(qū)動來降低開關(guān)速度，SOA曲線圖可能變得相關(guān)。因此，無論何時通過減慢開關(guān)速度來實現(xiàn)軟啟動或減少振鈴，都應(yīng)該考慮SOA曲線圖。

4. 選擇更合適的MOSFET已適應(yīng)不同的線性模式應(yīng)用

如前面章節(jié)所述，線性模式工作條件下MOSFET將同時承受高VDS和IDS下，功耗會很高，SOA曲線圖可有效地評估MOSFET在線性模式下運行是否可靠。而通過SOA的各種限制線解釋說明，以及通過相關(guān)的一些公式，重新計算得到不同應(yīng)用條件下的SOA關(guān)系圖。根據(jù)重新計算的結(jié)果，可以選擇到應(yīng)用于線性模式工作條件下最適合的MOSFET。在此之前，最重要的是首先要了解MOSFET在線性模式下是連續(xù)工作(如電流源)，還是在完全打開前經(jīng)過一段時間的線性模式工作區(qū)域，這樣才能更準確地應(yīng)用SOA曲線來選擇更合適的MOSFET。

連續(xù)線性模式工作

在線性模式下連續(xù)工作時，功率損耗的判斷與MOSFET的RDS(on)和動態(tài)參數(shù)無關(guān)，而SOA成為關(guān)鍵設(shè)計準則，其中熱設(shè)計是最重要的，低ZthJC的MOSFET是最合適的。為了消除產(chǎn)生的熱量，必須采用合適的封裝和強制冷卻措施。這也意味著前幾代技術(shù)和/或更高電壓等級的MOSFET將更適合這種應(yīng)用。

有限時長的線性模式工作

MOSFET通過線性模式工作區(qū)需要一定的時間。此時的VDS，IDS和脈沖長度必須滿足SOA區(qū)域工作。如果應(yīng)用條件與SOA數(shù)據(jù)表條件不同(Tc溫度、VGS電壓、占空比……)，則需要根據(jù)相應(yīng)的公式重新計算SOA關(guān)系圖。一般來說，低ZthJC和極低RDS(on)的MOSFET是比較合適線性模式工作的。

5. 總結(jié)

本文闡述了MOSFET的一個重要設(shè)計準則---安全工作區(qū)(SOA)，特別是當MOSFET處于線性模式時，必須考慮SOA曲線圖。SOA曲線準則適用于MOSFET以連續(xù)線性方式工作的應(yīng)用中(例如MOSFET作為電流源)，也適用于MOSFET一定時間內(nèi)的線性方式工作的應(yīng)用中(例如e-fuse)。數(shù)據(jù)表中的SOA關(guān)系圖僅對給定的條件有效，對于不同的應(yīng)用條件，必須重新計算相應(yīng)的SOA曲線。