学技术 | 【大大鱼乾的模拟电源讲堂】如何绘制MOSFET SOA曲线

 

我们这堂课来讲讲电源结构最重要的其中一个元件—功率开关元件。

 

大功率的开关元件例如BJT、IGBT、MOSFET等，都有所谓的SOA（Safe Operating Area安全操作区域）、是用来评价大功率的开关元件操作是否安全可靠的判断机制，甚至当大功率的开关元件发生损坏时，也是透过SOA的计算结果来加以确认。

 

我们这边用最常用的MOSFET来举例说明：

 

SOA（安全操作区域）

SOA是由5条limit线所围起来的一个区域，在任何测试条件下都必须让MOSFET操作在SOA的范围之内，才能确保MOSFET在操作上是安全可靠的。

 

而这5条limit线分别为Rds-on、pulse电流、maximum功率、热稳定与breakdown电压

 

Rds-on limit线

SOA横轴是Vds，纵轴是Ids，依据欧姆定律（V = I x R），斜率为Rds-on。

Rds-on为正温度系数，当温度低时，Rds-on电阻值也会比较低，在相同电压下，就会得到较大的电流，而当温度高时，Rds-on电阻值也会比较高，在相同电压下，就会得到较小的电流，因此Rds-on limit线是浮动的。而一般data sheet内SOA的Rds-on limit线是建立在Tj=150℃下所绘制出来的曲线

 

以SPP20N60C3为例

先设定二个Vds电压点，假设分别为2V与10V，再透过Rds-on对应Tj的曲线，得出Rds-on值，代入算式即可计算出此时之Id电流，描绘出Rds-on limit线

Pulse current limit线

高压MOSFET的peak pulse电流是来自silicon的限制，而低压MOSFET的peak pulse电流是来自包装的限制。pulse电流是一个计算值（已标示在data sheet内）

 

以SPP20N60C3为例

透过上述算式得出Id，pulse电流值，即可描绘出Pulse current limit线
 

 

Maximum power limit线

Maximum power是建立在一个前提下的条件，功率的消耗会相等于功率的产生，

Tj = Tc +Δt，而Δt = VDS x ID x Zthjc，SOA在maximum power是电压与电流乘积产生的功率，功率再乘以热阻值就会产生温升。

 

以SPP20N60C3为例

 

透过Zthjc与tp的曲线，对照出不同时间下的Zthjc，再透过算式先求出当Tc=25℃时所能提供的功率PD，再分别取二个Vds的电压点来计算出电流，即可描绘出Maximum power limit线

 

Thermal stability limit线

依据热稳定度实验结果来修正SOA曲线

Breakdown voltage limit线

Breakdown voltage则是与温度相关，它是正温度系数，SOA的Breakdown voltage limit线是建立在Tj=25℃下所绘制出来的曲线
 

 

以SPP20N60C3为例

 

依照鱼干我的经验：脚越少的半导体元件处理起来比很多脚的IC更复杂，因为pin少所以要分析得更细更精辟…@@||

 

SOA的分析有利于在设计初期就先验证理论上是否可行？理论上可行再套用在实际硬件上。

 

万一不幸在硬件测试阶段发生“事故”时，我们也可以从“幸存”的样机上去测量波形、并套用SOA的分析去找出问题的原因及改善对策。

 

<小贴士>

本堂只是浅谈MOSFET的SOA分析，其实MOSFET还有传导损失（Conduction loss）及开关损失（Switching loss）需要再去计算与分析，这些会影响SOA的细节请待我们到”中”学堂的部份再深入探讨呗^_^y