Memahami MOSFET Safe Operating Area atau SOA

Jika Anda bertanya-tanya atau khawatir tentang seberapa besar daya yang dapat ditoleransi oleh MOSFET Anda dalam kondisi ekstrim, atau dalam situasi disipatif yang ekstrim, maka angka SOA dari perangkat tersebut adalah yang harus Anda perhatikan.

Dalam posting ini kita akan membahas secara komprehensif Area Operasi Aman, atau SOA, seperti yang terlihat di lembar data MOSFET.

Berikut ini adalah area operasi aman MOSFET atau grafik SOA yang biasanya terlihat di semua Instrumen Texas lembar data.

MOSFET SOA dijelaskan sebagai besaran yang menentukan daya maksimum yang dapat ditangani FET saat beroperasi di wilayah saturasi.

Grafik SOA yang diperbesar dapat dilihat pada gambar berikut.

Dalam grafik SOA di atas kita dapat melihat semua batasan dan batasan ini. Dan lebih jauh dalam grafik kami menemukan batasan tambahan untuk banyak durasi pulsa individu yang berbeda. Dan garis-garis di dalam grafik ini, dapat ditentukan melalui perhitungan atau pengukuran fisik.

Di lembar data sebelumnya dan yang lebih lama, parameter ini diperkirakan dengan nilai yang dihitung.

Namun, biasanya disarankan agar parameter ini diukur secara praktis. Jika Anda menilai mereka menggunakan rumus, Anda bisa mendapatkan nilai hipotetis yang mungkin secara harfiah jauh lebih besar daripada yang dapat ditoleransi FET dalam penerapan dunia nyata. Atau mungkin Anda dapat menurunkan (memberikan kompensasi berlebih) parameter ke tingkat yang mungkin terlalu lemah, relatif terhadap apa yang sebenarnya dapat ditangani FET.

Jadi dalam diskusi berikut, kami mempelajari parameter SOA yang dievaluasi melalui metode praktis nyata dan bukan dengan rumus atau simulasi.

Mari kita mulai dengan memahami apa itu mode saturasi dan mode linier di FET.

Mode Linear vs Mode Saturasi

Mengacu pada grafik di atas, mode linier adalah, didefinisikan sebagai wilayah, di mana RDS (on) atau resistansi sumber drain FET konsisten.

Ini berarti, arus yang melewati FET berbanding lurus dengan bias drain-to-source melalui FET. Ia juga sering dikenal sebagai wilayah ohmik, karena FET pada dasarnya bertindak mirip dengan resistor tetap.

Sekarang, jika kita mulai meningkatkan tegangan bias sumber-drain ke FET, kita akhirnya menemukan FET beroperasi di wilayah yang dikenal sebagai wilayah saturasi. Setelah operasi MOSFET dipaksa ke wilayah saturasi, arus (amp) yang bergerak melalui MOSFET melintasi drain ke sumber tidak lagi merespons kenaikan tegangan bias drain-to-source.

Oleh karena itu terlepas dari seberapa banyak Anda meningkatkan tegangan drain, FET ini terus mentransfer tingkat arus maksimum tetap melaluinya.

Satu-satunya cara di mana Anda dapat memanipulasi arus biasanya dengan memvariasikan tegangan gerbang-ke-sumber.

Namun, situasi ini tampaknya sedikit membingungkan, karena ini umumnya adalah deskripsi buku teks Anda tentang wilayah linier dan saturasi. Sebelumnya kita mengetahui bahwa parameter ini sering disebut sebagai wilayah ohmik. Namun beberapa orang benar-benar menyebut ini sebagai wilayah linier. Mungkin, pola pikirnya adalah, ini terlihat seperti garis lurus, jadi harus linier?

Jika Anda melihat orang membahas aplikasi hot-swap, mereka akan mengungkapkan, saya bekerja di wilayah linier. Tapi itu pada dasarnya tidak tepat secara teknologi.

Memahami MOSFET SOA

Sekarang karena kita tahu apa itu wilayah saturasi FET, sekarang kita dapat meninjau grafik SOA kita secara rinci. SOA dapat dipecah menjadi 5 batasan individu. Mari pelajari apa sebenarnya mereka.

Batasan RDS (aktif)

Baris pertama pada grafik yang berwarna abu-abu, menunjukkan batasan RDS (aktif) dari FET. Dan ini adalah wilayah yang secara efektif membatasi jumlah maksimum arus melalui FET karena resistansi perangkat.

Dengan kata lain, ini menunjukkan resistensi tertinggi dari MOSFET yang mungkin ada pada suhu persimpangan maksimum yang dapat ditoleransi dari MOSFET.

Kami mengamati bahwa garis abu-abu ini memiliki kemiringan konstan positif dari kesatuan, hanya karena setiap titik dalam garis ini memiliki jumlah resistansi ON yang identik, sesuai dengan hukum Ohm, yang menyatakan R sama dengan V dibagi I.

Batasan Saat Ini

Garis batasan berikutnya dalam grafik SOA mewakili batasan saat ini. Di atas grafik, nilai pulsa berbeda yang ditunjukkan oleh garis biru, hijau, ungu dapat dilihat, dibatasi pada 400 amp oleh garis hitam horizontal atas.

Bagian horizontal pendek dari garis MERAH menunjukkan batas paket perangkat, atau batas arus kontinu (DC) FET, sekitar 200 amp.

Batasan Daya Maksimum

Batasan SOA ketiga adalah garis batasan daya maksimum dari MOSFET, diwakili oleh garis miring oranye.

Seperti yang kita perhatikan, garis ini memiliki kemiringan konstan tetapi kemiringan negatif. Itu konstan karena setiap titik pada garis batas daya SOA ini membawa kekuatan konstan yang sama, diwakili oleh rumus P = IV.

Oleh karena itu, dalam kurva logaritmik SOA ini, menghasilkan kemiringan -1. Tanda negatif disebabkan oleh fakta bahwa aliran arus melalui MOSFET di sini berkurang dengan meningkatnya tegangan sumber drain.

Fenomena ini terutama disebabkan oleh karakteristik koefisien negatif dari MOSFET yang membatasi arus yang melalui perangkat saat suhu sambungannya meningkat.

Batasan Ketidakstabilan Termal

Selanjutnya, batasan MOSFET keempat di seluruh area operasi yang aman ditunjukkan dengan garis miring kuning, yang mewakili batasan ketidakstabilan termal.

Di wilayah SOA inilah yang menjadi sangat penting untuk benar-benar mengukur kapasitas operasi perangkat. Ini karena wilayah ketidakstabilan termal ini tidak dapat diprediksi dengan cara yang tepat.

Oleh karena itu, kita secara praktis perlu menganalisis MOSFET di area ini untuk mengetahui di mana FET dapat gagal, dan apa sebenarnya kemampuan kerja perangkat tertentu?

Jadi kita dapat melihat sekarang, jika kita mengambil batasan daya maksimum ini, dan memperpanjangnya sampai ke bawah garis kuning, lalu, tiba-tiba apa yang kita temukan?

Kami menemukan bahwa batasan kegagalan MOSFET berada pada level yang sangat rendah, yang jauh lebih rendah nilainya dibandingkan dengan wilayah batasan daya maksimum yang dipromosikan pada lembar data (diwakili oleh kemiringan oranye).

Atau anggaplah kita terlalu konservatif, dan mengatakan kepada orang-orang bahwa, lihatlah, bagian bawah garis kuning sebenarnya adalah apa yang dapat ditangani secara maksimal oleh FET. Yah, kita mungkin berada di pihak yang paling aman dengan pernyataan ini, tetapi kemudian kita mungkin telah memberikan kompensasi berlebihan pada kemampuan pembatasan daya perangkat, yang mungkin tidak masuk akal, bukan?

Itulah mengapa daerah ketidakstabilan termal ini tidak dapat ditentukan atau diklaim dengan rumus, tetapi harus benar-benar diuji.

Batasan Tegangan Kerusakan

Daerah batasan kelima dalam grafik SOA adalah batasan tegangan tembus, yang diwakili oleh garis vertikal hitam. Yang hanya merupakan kapasitas penanganan tegangan sumber drain maksimum dari FET.

Sesuai grafik, perangkat ini memiliki BVDSS 100 volt, yang menjelaskan mengapa garis vertikal hitam ini diterapkan pada 100 volt tanda Drain-Source.

Akan menarik untuk menyelidiki gagasan sebelumnya tentang ketidakstabilan termal sedikit lebih banyak. Untuk mencapai ini, kita perlu menguraikan frase yang disebut sebagai 'koefisien suhu'.

Koefisien Suhu MOSFET

Koefisien suhu MOSFET dapat didefinisikan sebagai perubahan arus selama perubahan suhu persimpangan MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Oleh karena itu, ketika kami memeriksa kurva karakteristik transfer MOSFET dalam lembar datanya, kami menemukan arus drain-to-source dari FET versus peningkatan tegangan gerbang-ke-sumber dari FET, kami juga menemukan bahwa karakteristik ini dievaluasi pada 3 rentang suhu yang berbeda.

Koefisien Suhu Nol (ZTC)

Jika kita melihat titik yang direpresentasikan dengan lingkaran oranye, inilah yang akan kita tunjukkan sebagai koefisien suhu nol dari MOSFET .

Pada titik ini bahkan jika suhu persimpangan perangkat terus meningkat tidak menghasilkan peningkatan dalam transfer arus melalui FET.

∂Aku_D/ ∂T_j = 0 , dimana saya_D adalah arus drain MOSFET, T_j mewakili suhu persimpangan perangkat

Jika kita melihat daerah di atas koefisien suhu nol ini (lingkaran oranye), saat kita bergerak dari negatif -55 ke 125 derajat Celcius, arus yang melalui FET sebenarnya mulai turun.

∂Aku_D/ ∂T_j <0

Situasi ini menunjukkan bahwa MOSFET benar-benar semakin panas, tetapi daya yang dihamburkan melalui perangkat semakin rendah. Ini menyiratkan bahwa sebenarnya tidak ada bahaya ketidakstabilan untuk perangkat, dan perangkat yang terlalu panas mungkin diperbolehkan, dan tidak seperti BJT, mungkin tidak ada risiko situasi pelarian termal.

Namun, pada arus di wilayah di bawah koefisien suhu nol (lingkaran oranye), kami melihat tren, di mana peningkatan suhu perangkat, yaitu, melintasi negatif -55 hingga 125 derajat, menyebabkan kapasitas transfer arus sebesar perangkat untuk benar-benar meningkat.

∂Aku_D/ ∂T_j > 0

Ini terjadi karena fakta bahwa koefisien suhu MOSFET berada pada titik-titik ini lebih tinggi dari nol. Tetapi, di sisi lain peningkatan arus melalui MOSFET, menyebabkan peningkatan proporsional dalam RDS MOSFET (on) (resistansi sumber drain) dan juga menyebabkan peningkatan proporsional dalam suhu tubuh perangkat secara progresif, yang mengarah ke arus lebih lanjut. transfer melalui perangkat. Ketika MOSFET masuk ke wilayah loop umpan balik positif ini, ini dapat mengembangkan ketidakstabilan dalam perilaku MOSFET.

Namun, tidak ada yang tahu apakah situasi di atas mungkin terjadi atau tidak, dan tidak ada desain yang mudah untuk memperkirakan kapan ketidakstabilan semacam ini mungkin muncul dalam MOSFET.

Ini karena mungkin ada banyak parameter yang terlibat dengan MOSFET tergantung pada struktur kepadatan selnya sendiri, atau fleksibilitas paket untuk menghilangkan panas secara merata ke seluruh tubuh MOSFET.

Karena ketidakpastian ini, faktor-faktor seperti pelarian termal atau ketidakstabilan termal apa pun di wilayah yang ditunjukkan harus dikonfirmasi untuk setiap MOSFET tertentu. Tidak, atribut MOSFET ini tidak dapat ditebak hanya dengan menerapkan persamaan kehilangan daya maksimum.

Mengapa SOA begitu Penting

Angka SOA dapat sangat berguna dalam aplikasi MOSFET di mana perangkat sering dioperasikan di wilayah saturasi.

Ini juga berguna dalam hot-swap atau aplikasi pengontrol Oring, di mana menjadi penting untuk mengetahui dengan tepat berapa banyak daya yang dapat ditoleransi oleh MOSFET, dengan mengacu pada bagan SOA mereka.

Secara praktis, Anda akan menemukan bahwa nilai area operasi aman MOSFET cenderung sangat berguna bagi sebagian besar konsumen yang berurusan dengan kontrol motor, inverter / konverter atau produk SMPS, di mana perangkat biasanya dioperasikan pada suhu ekstrim atau kondisi kelebihan beban.

Sumber: Pelatihan MOSFET , Area Operasi Aman