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功率MOSFET安全工作区,真的安全吗?

作者:刘松时间:2019-02-26来源:电子产品世界收藏

作者/刘松(万国半导体元件(深圳)有限公司,上海 静安 200070)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201902/397968.htm

  摘要:本文论述了数据表中每条曲线的含义,详细说明最大的脉冲漏极电流的定义。分析了基于环境温度、最大允许结温和功耗计算的不能作为实际应用中MOSFET是否安全的标准原因。特别说明了完全工作在或较长的时间工作在的应用中,必须采用实测的理由。

  关键词;安全工作区;;

  0 引言

  许多研发工程师经常会使用测量的工作波形来校核功率MOSFET的SOA曲线,例如:做电源的研发工程师,电源结构为反激或BUCK降压变换器,测量到功率MOSFET的电压和电流波形,然后根据电压、电流波形和工作的脉宽时间,在SOA曲线中描出对应的工作点,来校核工作点是否在SOA曲线的范围内,以此来判断功率MOSFET的工作是否安全。事实上,这样的校核方法并不正确,原因在于对于功率MOSFET的安全工作区曲线理解的偏差。本文将详细的介绍功率MOSFET数据表中安全区的定义,从而让工程师针对不同的应用,使用有效的方法校核其安全。

  1 功率MOSFET安全工作区SOA曲线

  功率MOSFET数据表中,安全工作区SOA曲线是正向偏置的安全工作区SOA曲线,即FBSOA曲线,那么这个安全工作区SOA曲线是如何定义的呢?这个曲线必须结合功率MOSFET的耐压、电流特性和热阻特性,来理解功率MOSFET的安全工作区SOA曲线。它定义了最大的漏源极电压值、漏极电流值,以保证器件在正向偏置时安全的工作,如图1所示。数据表中,功率MOSFET安全工作区SOA曲线有4条边界,分别说明如下。

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  (1)安全工作区SOA曲线左上方的边界斜线,受功率MOSFET的导通电阻RDS(ON)限制。因为在一定的VGS的电压下,功率MOSFET都有一个确定的RDS(ON),因此:

  VDS=ID·RDS(ON)

  这条斜线的斜率就是1/ RDS(ON)。功率MOSFET数据表中,在不同的温度以及在不同的脉冲电流及脉冲宽度条件下,RDS(ON)的值都会不同,在实际的应用过程中,这条曲线的斜率因条件的不同而不同[1]

  (2)安全工作区SOA曲线最右边的垂直边界,是最大的漏源极电压BVDSS。BVDSS是功率MOSFET数据表中所标称的最小值。同样的,在不同的测试条件下这个值也会不同,特别是采用更高的测试电流IDSS时,名义的标称值就会偏高,而实际的工作范围就会减小[2]

  (3)安全工作区SOA曲线最上面水平线,受最大的脉冲漏极电流IDM的限制。这个值是一个测量值,如果使用最小脉冲宽度下的瞬态热阻值、最大的RDS(ON)和允许的温升来计算,所得到最大漏极电流会比IDM更高,因此也就不正确,对于特定范围的脉冲宽度,最大的脉冲漏极电流就定义为IDM[3-4]

  (4)安全工作区SOA曲线右上方平行的一组斜线,是不同的单脉冲宽度下功率损耗的限制。RDS(ON)限制的斜线和最大的脉冲漏极电流IDM有一个交点,在这个交点的右边,不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流曲线都几乎工作在线性区,这一组曲线上的任何一点的电流和电压值,都是通过瞬态的热阻和允许的温升(功耗)所计算出来的。

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  其中,TJMax为最高允许工作结温,150 ℃或者175 ℃,不同的产品定义不同。TC为壳温,也就是封装铜衬底温度,通常是25 ℃。ZqJC为归一化瞬态热阻,RqJC为热阻。

  功率MOSFET数据表中有归一化瞬态热阻曲线,通过上述公式,就可以将不同的单脉冲宽度下,VDS和ID的曲线作出来,因此功率MOSFET数据表中,安全工作区SOA曲线右上方平行的一组斜线都是计算值[5]

  2 功率MOSFET实际工作条件

  从上面的论述,功率MOSFET的安全工作区SOA曲线都是基于TC=25 ℃温度下的计算值,在实际的工作中,功率MOSFET的TC的温度,也就是器件下面铜皮的温度,绝对不可能为25 ℃,通常远远高于25 ℃,有些应用达到100 ℃~120 ℃,一些极端的应用甚至会更高,这样数据表中的安全工作区SOA曲线很难对实际的应用提供有用的参考价值。使用RJA折算成TA=25 ℃时的电流和电压值作出安全工作区SOA曲线,相对的可以对实际的应用提供一些参考。

  采用行业内的标准使用计算的方法所得到的安全工作区SOA中间的功率曲线,由于大多工作在线性区,计算过程不可能考虑到功率MOSFET的。以前,功率MOSFET采用平面的结构,每个单元的间隔大,很少会产生局部的热集中,基于TA=25 ℃的SOA曲线和实际的应用比较接近,偏差也较小。

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  由于技术不断的进步,目前通常采用沟槽以及隔离栅SGT技术,单元的密度急剧提高,单元和单元间的间距小,容易相互加热产生局部的热集中,导致内部的单元不平衡,的影响明显的增强,特别是在高压的时候,内部的电场外强度大,进一步增加热电效应。因此,使用线性区的功率损耗计算的安全工作区SOA曲线,和实际的应用偏差非常大[6-7]

  对于大多开关电源和电力电子的应用,功率MOSFET工作在高频的开关状态,完全的导通或截止,米勒电容产生米勒平台的线性区,也就是产生开关损耗的区间,持续的时间非常短,通常是几个或几十个ns,因此使用测量到的功率MOSFET电压和电流的波形,在安全工作区SOA曲线的线性区描点,来校核功率MOSFET是否安全工作,这种方法并不正确,特别是在TC=25 ℃的安全工作区SOA曲线中进行这样的校核完全没有意义。当功率MOSFET工作在高频的开关状态时,计算功率MOSFET的总体损耗,由热阻来校核结温,更有意义一些。

  3 功率MOSFET的安全工作区SOA曲线分析

  下面分析几个SOA曲线数据表中的例子,来进一步理解SOA曲线的定义。

  3.1 AON6590

  3.1.1 从安全工作区SOA曲线导通电阻RDS(ON)限制的斜率,来计算导通电阻:

  RDS(ON) = (0.1-0.03)/(60-20) = 0.00175 Ω

  在数据表1中可以得到TJ=25 ℃时RDS(ON)远小于安全工作区SOA曲线的计算值,因此它的取值应该是TJ=150 ℃时的值。

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  不同的公司在安全工作区SOA曲线中,导通电阻RDS(ON)限制的斜线所采用的RDS(ON)的值,有些公司取TJ=25 ℃,有些公司取TJ=150 ℃,有些公司取TJ=175 ℃,而且对于相应的温度,取典型值还是最大值,也不相同。条件越严格,安全工作区SOA曲线的范围就越小。

  3.1.2 如表2最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压,这条直线的定义比较简单,当然当测试条件不同时,额定电压的值也会不同。

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  3.1.3 最上面的电流水平线,由最大的脉冲漏极电流IDM限制,安全工作区SOA曲线和数据表中的值都为400 A,基于TC=25 ℃。

  最低DC的电流水平线,SOA曲线和数据表中的值都为100 A,基于TC=25 ℃。右上方平行的斜线组,列出了DC、不同的单脉冲宽度下,10 ms、1 ms、100 μs、10 μs的计算值斜线。

  基于最高的结温的允许温升、热阻或瞬态热阻,那么最高的允许的功率就可以确定,对于一个确定的电压VDS,就可以计算相应的电流ID,这些斜线组相当于在TC=25 ℃时,工作在线性区的功率限制的计算值。

  3.2 IPB117N20NFD

  如图3为IPB117N20NFD的安全工作区SOA曲线。

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  3.2.1 从安全工作区SOA曲线导通电阻RDS(ON)限制的斜率,来计算导通电阻:

  RDS(ON) = (1-0.1)/(30-3) = 0.033 Ω

  3.2.2 如表3最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压200 V。

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  (3)如表4最上面的电流水平线,由最大的脉冲漏极电流IDM限制,安全工作区SOA曲线和数据表中的值都为336 A,基于TC=25 ℃。

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  最低DC的电流水平线,安全工作区SOA曲线和数据表中的值都为84 A,基于TC=25 ℃。右上方平行的斜线组,列出了DC、不同的单脉冲宽度下,10 ms、1 ms、100 μs、10 μs、1 μs的计算值斜线。

  4 实测功率MOSFET的安全工作区SOA曲线

  一些应用中,功率MOSFET完全工作在线性区或较长的时间工作在线性区,那么,为了保证功率MOSFET的可靠性,就要测量真正的安全工作区SOA曲线,以避免热电效应所产生的破坏。设计的时候,要保证有一定的裕量,从而保证系统的安全,如图4所示的IRFB4410的SOA曲线。

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  负载开关及热插拔较长时间工作在导通电阻的负温度系数区,分立MOSFET组成的LDO一直工作在负温度系数区,也就是上面所谓的线性区,这二种应用设计要特别小心[6-7]

  5 结论

  (1)功率MOSFET数据表中安全工作区的电压、电流的限制边界基于一定的测试条件,当测试条件改变时,其范围也不相同。

  (2)功率MOSFET数据表中安全工作区是基于TC=25 ℃温度下的计算值,和实际的工作条件相差太大,因此不能作为校核其是否工作安全的标准。

  (3)功率MOSFET的安全工作区的线性区没有考虑热电效应,不能采用数据表中计算的安全工作区来校核其是否工作安全,因此在线性区的工作条件下要采用实测的安全工作区曲线。

  参考文献

  [1]刘松.理解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性.今日电子,2009(11):25-26.

  [2]刘松.功率MOSFET额定电压BVDSS.今日电子,2017(7):23-24.

  [3]刘松.脉冲漏极电流IDM及短路保护.今日电子,2018(1):21-23.

  [4]刘松.理解功率MOSFET的电流.今日电子,2011(11):35-37.

  [5]刘松.理解功率MOSFET热阻特性.今日电子,2017(12):30-31.

  [6]刘松,陈均,林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响.电子技术应用,2010,12(36):72-74.

  [7]刘松.应用于线性调节器的中压功率MOSFET的选择.今日电子,2012(2):36-38.

  作者简介:

  刘松,硕士,现任职于万国半导体元件(深圳)有限公司应用总监,主要研究方向:开关电源、电力电子以及功率元件的应用和研究工作,曾获得广东省科技进步二等奖一项,在各类学术期刊上发表学术论文60多篇。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第45页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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