Εάν αναρωτιέστε ή ανησυχείτε για το πόση δύναμη μπορεί να ανεχθεί το MOSFET σας κάτω από ακραίες συνθήκες ή υπό ακραίες καταστροφικές καταστάσεις, τότε τα σχήματα SOA της συσκευής είναι ακριβώς αυτό που πρέπει να κοιτάτε.
Σε αυτήν την ανάρτηση θα συζητήσουμε διεξοδικά την περιοχή ασφαλούς λειτουργίας ή το SOA, όπως εμφανίζεται στο δελτίο δεδομένων MOSFET.
Ακολουθεί η ασφαλής περιοχή λειτουργίας MOSFET ή το γράφημα SOA που φαίνεται συνήθως σε όλα Texas Instruments Φύλλα δεδομένων.
Το MOSFET SOA περιγράφεται ως το μέγεθος που καθορίζει τη μέγιστη ισχύ που μπορεί να χειριστεί το FET ενώ λειτουργεί στην περιοχή κορεσμού.
Η μεγεθυμένη ματιά του γραφήματος SOA μπορεί να δει στην επόμενη εικόνα παρακάτω.
Στο παραπάνω γράφημα SOA μπορούμε να δούμε όλους αυτούς τους περιορισμούς και τα όρια. Και πιο βαθύτερα στο γράφημα βρίσκουμε επιπλέον περιορισμούς για πολλές διαφορετικές ατομικές διάρκεια παλμού. Και αυτές οι γραμμές μέσα στο γράφημα, θα μπορούσαν να προσδιοριστούν είτε μέσω υπολογισμών είτε με φυσικές μετρήσεις.
Σε παλαιότερα και παλαιότερα φύλλα δεδομένων, αυτές οι παράμετροι εκτιμήθηκαν με υπολογισμένες τιμές.
Ωστόσο, συνήθως συνιστάται η πρακτική μέτρηση αυτών των παραμέτρων. Εάν τα αξιολογήσετε χρησιμοποιώντας τύπους, θα μπορούσατε να καταλήξετε να υποθέσετε τιμές που μπορεί να είναι κυριολεκτικά πολύ μεγαλύτερες από αυτές που μπορεί να ανεχθεί η FET στην εφαρμογή του πραγματικού κόσμου. Ή ίσως μπορείτε να υποβάλετε (υπεραντιστάθμιση) τις παραμέτρους σε ένα επίπεδο που μπορεί να είναι υπερβολικά υποτονικό, σε σχέση με αυτό που πραγματικά μπορεί να αντιμετωπίσει η FET.
Έτσι, στις επόμενες συζητήσεις μας μαθαίνουμε τις παραμέτρους SOA που αξιολογούνται μέσω πραγματικών πρακτικών μεθόδων και όχι με τύπους ή προσομοιώσεις.
Ας ξεκινήσουμε με την κατανόηση της λειτουργίας κορεσμού και της γραμμικής λειτουργίας στα FET.
Γραμμική λειτουργία έναντι λειτουργίας κορεσμού
Αναφερόμενοι στο παραπάνω γράφημα, η γραμμική λειτουργία ορίζεται ως η περιοχή, στην οποία το RDS (on) ή η αντίσταση πηγής αποστράγγισης του FET είναι συνεπής.
Αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα που διέρχεται από το FET είναι ευθέως ανάλογο με την προκατάληψη διαρροής προς πηγή μέσω του FET. Είναι επίσης συχνά γνωστό ως η ωμική περιοχή, καθώς το FET ενεργεί ουσιαστικά παρόμοιο με μια σταθερή αντίσταση.
Τώρα, εάν αρχίσουμε να αυξάνουμε την τάση πόλωσης πηγής αποστράγγισης στο FET, θα βρούμε τελικά το FET να λειτουργεί σε μια περιοχή γνωστή ως περιοχή κορεσμού. Μόλις η λειτουργία MOSFET ωθείται στην περιοχή κορεσμού, το ρεύμα (ενισχυτές) που κινείται μέσω του MOSFET διαμέσου αποστράγγισης στην πηγή δεν ανταποκρίνεται πλέον στην αύξηση τάσης πόλωσης αποστράγγισης προς πηγή.
Επομένως, ανεξάρτητα από το πόσο αυξάνετε την τάση αποστράγγισης, αυτό το FET συνεχίζει να μεταφέρει ένα σταθερό μέγιστο επίπεδο ρεύματος μέσω αυτού.
Ο μόνος τρόπος με τον οποίο μπορείτε να χειριστείτε το ρεύμα είναι συνήθως μεταβάλλοντας την τάση πύλης προς πηγή.
Ωστόσο, αυτή η κατάσταση φαίνεται να είναι λίγο αινιγματική, καθώς αυτές είναι γενικά οι περιγραφές των βιβλίων σας σχετικά με την γραμμική και την περιοχή κορεσμού. Προηγουμένως μάθαμε ότι αυτή η παράμετρος αναφέρεται συχνά ως η ωμική περιοχή. Παρ 'όλα αυτά, μερικοί άνθρωποι το ονομάζουν πραγματικά ως γραμμική περιοχή. Ίσως, η νοοτροπία είναι, λοιπόν, μοιάζει με ευθεία γραμμή, οπότε πρέπει να είναι γραμμική;
Εάν παρατηρήσετε άτομα που συζητούν εφαρμογές hot-swap, θα εκφράσουν, λοιπόν, δουλεύω σε μια γραμμική περιοχή. Αλλά αυτό είναι ουσιαστικά τεχνολογικά ακατάλληλο.
Κατανόηση του MOSFET SOA
Τώρα, καθώς γνωρίζουμε τι είναι μια περιοχή κορεσμού FET, μπορούμε τώρα να εξετάσουμε λεπτομερώς το γράφημα SOA μας. Το SOA θα μπορούσε να χωριστεί σε 5 μεμονωμένους περιορισμούς. Ας μάθουμε τι ακριβώς είναι.
Περιορισμός RDS (on)
Η πρώτη γραμμή στο γράφημα που έχει γκρι χρώμα, αντιπροσωπεύει τον περιορισμό RDS (on) του FET. Και αυτή είναι η περιοχή που περιορίζει αποτελεσματικά τη μέγιστη ποσότητα ρεύματος μέσω του FET λόγω της αντίστασης της συσκευής.
Με άλλα λόγια, δείχνει την υψηλότερη αντίσταση του MOSFET που μπορεί να υπάρχει στη μέγιστη ανεκτή θερμοκρασία διασταύρωσης του MOSFET.
Παρατηρούμε ότι αυτή η γκρίζα γραμμή έχει μια θετική σταθερή κλίση ενότητας, απλώς και μόνο επειδή κάθε σημείο αυτής της γραμμής διαθέτει μια ίδια ποσότητα αντίστασης ON, σύμφωνα με τον νόμο του Ohm, ο οποίος αναφέρει ότι το R ισούται με το V διαιρούμενο με το I.
Τρέχων περιορισμός
Η επόμενη γραμμή περιορισμού στο γράφημα SOA αντιπροσωπεύει τον τρέχοντα περιορισμό. Πάνω στο γράφημα, οι διαφορετικές τιμές παλμού που υποδεικνύονται από τις μπλε, πράσινες, ιώδεις γραμμές είναι ορατές, περιοριζόμενες στα 400 αμπέρ από την άνω οριζόντια μαύρη γραμμή.
Το κοντό οριζόντιο τμήμα της γραμμής RED υποδεικνύει το όριο συσκευασίας της συσκευής ή το όριο συνεχούς ρεύματος (DC) της FET, σε περίπου 200 αμπέρ.
Μέγιστος περιορισμός ισχύος
Ο τρίτος περιορισμός SOA είναι η γραμμή περιορισμού μέγιστης ισχύος του MOSFET, που αντιπροσωπεύεται από την πορτοκαλί κεκλιμένη γραμμή.
Όπως παρατηρούμε, αυτή η γραμμή έχει σταθερή κλίση αλλά αρνητική. Είναι σταθερό δεδομένου ότι κάθε σημείο σε αυτό το όριο ισχύος SOA φέρει την ίδια σταθερή ισχύ, που αντιπροσωπεύεται από τον τύπο P = IV.
Ως εκ τούτου, σε αυτήν τη λογαριθμική καμπύλη SOA, αυτό δημιουργεί μια κλίση -1. Το αρνητικό σημάδι οφείλεται στο γεγονός ότι η τρέχουσα ροή μέσω του MOSFET εδώ μειώνεται καθώς αυξάνεται η τάση πηγής αποστράγγισης.
Αυτό το φαινόμενο οφείλεται κυρίως στα χαρακτηριστικά του αρνητικού συντελεστή του MOSFET που περιορίζει το ρεύμα μέσω της συσκευής καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία διασταύρωσης.
Περιορισμός θερμικής αστάθειας
Στη συνέχεια, ο τέταρτος περιορισμός MOSFET σε όλη την ασφαλή περιοχή λειτουργίας του υποδεικνύεται από την κίτρινη κεκλιμένη γραμμή, η οποία αντιπροσωπεύει τον περιορισμό θερμικής αστάθειας.
Είναι σε όλη αυτή την περιοχή του SOA που καθίσταται πραγματικά ζωτικής σημασίας για τη μέτρηση της πραγματικής ικανότητας λειτουργίας της συσκευής. Αυτό συμβαίνει επειδή αυτή η περιοχή θερμικής αστάθειας δεν μπορεί να προβλεφθεί με κανένα κατάλληλο τρόπο.
Επομένως, πρέπει ουσιαστικά να αναλύσουμε το MOSFET σε αυτήν την περιοχή για να μάθουμε πού μπορεί να αποτύχει το FET και ποια είναι ακριβώς η ικανότητα λειτουργίας της συγκεκριμένης συσκευής;
Έτσι μπορούμε να δούμε τώρα, αν θέλαμε να πάρουμε αυτόν τον μέγιστο περιορισμό ισχύος και να τον επεκτείνουμε μέχρι το κάτω μέρος της κίτρινης γραμμής, τότε, ξαφνικά τι βρίσκουμε;
Διαπιστώνουμε ότι ο περιορισμός αποτυχίας του MOSFET προσγειώνεται στο πολύ χαμηλό επίπεδο, το οποίο είναι πολύ χαμηλότερο σε σχέση με την περιοχή περιορισμού μέγιστης ισχύος που προωθείται στο φύλλο δεδομένων (που αντιπροσωπεύεται από την πορτοκαλί κλίση).
Ή ας υποθέσουμε ότι τυχαίνει να είμαστε πάρα πολύ συντηρητικοί και να πούμε στους ανθρώπους ότι, να δούμε ότι η κάτω περιοχή της κίτρινης γραμμής είναι στην πραγματικότητα αυτό που μπορεί να χειριστεί η FET στο μέγιστο. Λοιπόν, μπορεί να είμαστε στην ασφαλέστερη πλευρά με αυτήν τη δήλωση, αλλά τότε θα μπορούσαμε να έχουμε αντισταθμίσει υπερβολικά την ικανότητα περιορισμού ισχύος της συσκευής, η οποία μπορεί να μην είναι λογική, σωστά;
Αυτός είναι ακριβώς ο λόγος για τον οποίο αυτή η περιοχή θερμικής αστάθειας δεν μπορεί να προσδιοριστεί ή να διεκδικηθεί με τύπους, αλλά πρέπει πραγματικά να δοκιμαστεί.
Περιορισμός τάσης διακοπής
Η πέμπτη περιοχή περιορισμού στο γράφημα SOA είναι ο περιορισμός τάσης κατανομής, που αντιπροσωπεύεται από τη μαύρη κατακόρυφη γραμμή. Ποια είναι απλώς η μέγιστη ικανότητα χειρισμού τάσης αποστράγγισης της FET.
Σύμφωνα με το γράφημα, η συσκευή διαθέτει BVDSS 100 βολτ, το οποίο εξηγεί γιατί αυτή η μαύρη κατακόρυφη γραμμή επιβάλλεται στα σημάδια Drain-Source 100 volt.
Θα ήταν ενδιαφέρον να διερευνήσουμε την προηγούμενη έννοια της θερμικής αστάθειας λίγο περισσότερο. Για να το πετύχουμε αυτό, θα πρέπει να σκιαγραφήσουμε μια φράση που αναφέρεται ως «συντελεστής θερμοκρασίας».
Συντελεστής θερμοκρασίας MOSFET
Ο συντελεστής θερμοκρασίας MOSFET μπορεί να οριστεί ως η αλλαγή του ρεύματος σε σχέση με την αλλαγή στη θερμοκρασία διασταύρωσης του MOSFET.
Tc = ∂ID / ∂Tj
Επομένως, όταν εξετάζουμε την καμπύλη χαρακτηριστικών μεταφοράς ενός MOSFET στο δελτίο δεδομένων του, βρίσκουμε το ρεύμα αποστράγγισης σε πηγή του FET έναντι της αυξανόμενης τάσης πύλης προς πηγή του FET, διαπιστώνουμε επίσης ότι αυτά τα χαρακτηριστικά αξιολογούνται στο 3 διαφορετικά εύρη θερμοκρασίας.
Συντελεστής μηδενικής θερμοκρασίας (ZTC)
Αν κοιτάξουμε το σημείο που παριστάνεται με τον πορτοκαλί κύκλο, αυτό θα το δείξαμε ως το μηδενικός συντελεστής θερμοκρασίας του MOSFET .
Σε αυτό το σημείο, ακόμη και αν η θερμοκρασία διακλάδωσης της συσκευής συνεχίζει να αυξάνεται δεν παράγει καμία βελτίωση στην τρέχουσα μεταφορά μέσω του FET.
∂ Εγώρε/ ∂Τι = 0 , που Εγώρε είναι το ρεύμα αποστράγγισης του MOSFET, Τι αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία διασταύρωσης της συσκευής
Αν κοιτάξουμε την περιοχή πάνω από αυτόν τον συντελεστή μηδενικής θερμοκρασίας (πορτοκαλί κύκλος), καθώς κινούμαστε από τον αρνητικό -55 στους 125 βαθμούς Κελσίου, το ρεύμα μέσω του FET αρχίζει πραγματικά να μειώνεται.
∂ Εγώρε/ ∂Τι <0
Αυτή η κατάσταση είναι ενδεικτική ότι το MOSFET γίνεται πραγματικά πιο ζεστό, αλλά η ισχύς που διαχέεται μέσω της συσκευής μειώνεται. Αυτό συνεπάγεται ότι στην πραγματικότητα δεν υπάρχει κίνδυνος αστάθειας για τη συσκευή και ότι η υπερθέρμανση της συσκευής μπορεί να είναι επιτρεπτή και σε αντίθεση με τα BJT δεν υπάρχει πιθανώς κίνδυνος θερμικής διαφυγής.
Ωστόσο, σε ρεύματα στην περιοχή κάτω από το συντελεστή μηδενικής θερμοκρασίας (πορτοκαλί κύκλος), παρατηρούμε την τάση, όπου μια αύξηση της θερμοκρασίας της συσκευής, δηλαδή, απέναντι από τους αρνητικούς -55 έως 125 βαθμούς, προκαλεί την τρέχουσα ικανότητα μεταφοράς η συσκευή να αυξηθεί πραγματικά.
∂ Εγώρε/ ∂Τι > 0
Αυτό συμβαίνει λόγω του γεγονότος ότι ο συντελεστής θερμοκρασίας του MOSFET είναι σε αυτά τα σημεία υψηλότερος από το μηδέν. Όμως, από την άλλη πλευρά, η αύξηση του ρεύματος μέσω του MOSFET, προκαλεί αναλογική αύξηση του RDS (on) (αντίσταση στην πηγή αποστράγγισης) του MOSFET και επίσης προκαλεί προοδευτική αύξηση της θερμοκρασίας του σώματος της συσκευής, οδηγώντας σε περαιτέρω ρεύμα μεταφορά μέσω της συσκευής. Όταν το MOSFET μπαίνει σε αυτήν την περιοχή ενός βρόχου θετικής ανατροφοδότησης, μπορεί να αναπτύξει αστάθεια στη συμπεριφορά του MOSFET.
Ωστόσο, κανείς δεν μπορεί να πει εάν η παραπάνω κατάσταση μπορεί να συμβεί ή όχι και δεν υπάρχει εύκολος σχεδιασμός για πρόβλεψη όταν αυτό το είδος αστάθειας μπορεί να προκύψει μέσα στο MOSFET.
Αυτό συμβαίνει επειδή ενδέχεται να υπάρχουν πολλές παράμετροι που εμπλέκονται στο MOSFET ανάλογα με την ίδια την δομή της πυκνότητας των κυττάρων του, ή την ευελιξία του πακέτου να κατανείμει ομοιόμορφα τη θερμότητα σε όλο το σώμα του MOSFET.
Λόγω αυτών των αβεβαιοτήτων, παράγοντες όπως η θερμική διαφυγή ή οποιαδήποτε θερμική αστάθεια στις υποδεικνυόμενες περιοχές πρέπει να επιβεβαιωθούν για κάθε συγκεκριμένο MOSFET. Όχι, αυτά τα χαρακτηριστικά του MOSFET δεν μπορούν να μαντέψουν απλώς εφαρμόζοντας την εξίσωση μέγιστης απώλειας ισχύος.
Γιατί το SOA είναι τόσο κρίσιμο
Τα σχήματα SOA μπορεί να είναι κρίσιμα χρήσιμα σε εφαρμογές MOSFET όπου η συσκευή λειτουργεί συχνά στις περιοχές κορεσμού.
Είναι επίσης χρήσιμο σε hot-swap ή Oring ελεγκτές εφαρμογών, όπου είναι κρίσιμο να γνωρίζουμε ακριβώς πόση δύναμη θα είναι σε θέση να ανεχθεί το MOSFET, αναφερόμενοι στα γραφήματα SOA τους.
Πρακτικά θα διαπιστώσετε ότι οι τιμές ασφαλούς περιοχής λειτουργίας του MOSFET τείνουν να είναι πολύ χρήσιμες για τους περισσότερους καταναλωτές που ασχολούνται με προϊόντα ελέγχου κινητήρα, μετατροπέα / μετατροπέα ή SMPS, όπου η συσκευή λειτουργεί συνήθως σε ακραίες θερμοκρασίες ή συνθήκες υπερφόρτωσης.
Πηγές: Εκπαίδευση MOSFET , Περιοχή ασφαλούς λειτουργίας
Προηγούμενο: Πώς λειτουργεί το IC LM337: Φύλλο δεδομένων, Κυκλώματα εφαρμογής Επόμενο: Κύκλωμα μετατροπέα κατηγορίας D Sinewave
