分享MOS管工作在安全区的方法

电子工程师最怕的是什么？不用想，肯定是炸机!用着用着就坏了，莫名其妙MOS管就炸了，可到底是哪里出问题了呢?这一切都和SOA相关。

大家都知道开关电源中MOS管、 IGBT是最核心也是最容易烧坏的器件。开关器件长期工作于高电压大电流状态，承受着很大的功耗，一但过压或过流就会导致功耗大增，晶圆结温急剧上升，如果散热不及时，就会导致器件损坏，甚至可能会伴随爆炸，非常危险。这里就衍生一个概念，安全工作区。

什么是安全工作区？  

安全工作区：SOA(Safe operating area)是由一系列(电压，电流)坐标点形成的一个二维区域，开关器件正常工作时的电压和电流都不会超过该区域。简单的讲，只要器件工作在SOA区域内就是安全的，超过这个区域就存在危险。

功率MOS管的安全工作区（SOA）受最大漏源电压VDSmax ，最大漏极电流IDmax ，最大允许功耗Pmax和导通电阻Ron4个参数的限制。其中VDSmax 即为漏源击穿电压VBR，IDmax即为漏极饱和电流IDsat，而Pmax则由温度及热阻决定，可表示为：

式中：Tjmax为最高工作结温；TC为环境温度；Rthjc为热阻，由散热方式决定。当器件工作时，所产生的热量和散热器所散发的热量相等，处于热平衡态。当TC升高，散热器的散热效率降低，导致 P max 减小。

根据上述分析可知，T升高，Ron增大，IDmax 减小，VDSmax 增大，Pmax减小。 下图示出功率MOSFET的SOA示意图。

由下图可见，与功率晶体管相比，功率MOSFET 虽不存在由双极晶体管过热引起的二次击穿现象， SOA 相对较宽，但在高温下，功率MOSFET的SOA缩小，允许通过的最大电流下降。所以，使用时要注意将功率 MOSFET 的漏极电流控制在SOA内，否则会导致器件失效。

SOA具体如何应用和测试？  

开关器件的各项参数在数据手册中都会明确标注，这里我们先来解读两个参数：

1、VDS(Drain-source voltage)：漏源电压标称值，反应的是漏源极能承受的最大的电压值;

2、IDM(Drain current(pulsed))：漏源最大单脉冲电流(非重复脉冲)，反应的是漏源极可承受的单次脉冲电流强。

图 开关器件参数表

器件手册一般都会提供SOA(Safe operating area)数据图表，主要和晶圆的散热、瞬间电压和电流的承受能力有关，通过IDM和VDS及器件晶圆沟道损耗的限制形成一个工作区域，称为安全工作区，如下图所示。安全工作区可以避免管子因结温过高而损坏。

图 器件手册 SOA 曲线图

示波器的测试应用非常简单，使用电压、电流探头正常测试开关管的VDS和IDM，并打开SOA分析功能，对照数据手册的SOA数据设置好示波器的SOA参数即可。一但波形触碰到安全区以外的区域，就说明器件超额工作，存在危险。

示波器的SOA分析功能有哪些作用?  

1、支持连续测试，并统计通过及失败的总数次，该模式可用于连续烤机测试。

2、支持触碰(波形超出安全区域)停止、自动截图、声音提示操作。

3、安全工作区可通过电压、电流、功率限制设定，也可自定义设定。

图 示波器SOA测试波形图