作者/劉松(萬國半導體元件(深圳)有限公司，上海 靜安 200070)
本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201902/397968.htm摘要：本文論述了功率MOSFET數據表中安全工作區每條曲線的含義，詳細說明最大的脈衝漏極電流的定義。分析了基於環境溫度、最大允許結溫和功耗計算的安全工作區不能作為實際應用中MOSFET是否安全的標準原因。特別說明了功率MOSFET完全工作在線性區或較長的時間工作在線性區的應用中，必須採用實測的安全工作區理由。
關鍵詞：功率MOSFET;安全工作區;線性區;熱電效應
0 引言
許多研發工程師經常會使用測量的工作波形來校核功率MOSFET的SOA曲線，例如：做電源的研發工程師，電源結構為反激或BUCK降壓變換器，測量到功率MOSFET的電壓和電流波形，然後根據電壓、電流波形和工作的脈寬時間，在SOA曲線中描出對應的工作點，來校核工作點是否在SOA曲線的範圍內，以此來判斷功率MOSFET的工作是否安全。事實上，這樣的校核方法並不正確，原因在於對於功率MOSFET的安全工作區曲線理解的偏差。本文將詳細的介紹功率MOSFET數據表中安全區的定義，從而讓工程師針對不同的應用，使用有效的方法校核其安全。
1 功率MOSFET安全工作區SOA曲線
功率MOSFET數據表中，安全工作區SOA曲線是正向偏置的安全工作區SOA曲線，即FBSOA曲線，那麼這個安全工作區SOA曲線是如何定義的呢?這個曲線必須結合功率MOSFET的耐壓、電流特性和熱阻特性，來理解功率MOSFET的安全工作區SOA曲線。它定義了最大的漏源極電壓值、漏極電流值，以保證器件在正向偏置時安全的工作，如圖1所示。數據表中，功率MOSFET安全工作區SOA曲線有4條邊界，分別說明如下。
(1)安全工作區SOA曲線左上方的邊界斜線，受功率MOSFET的導通電阻RDS(ON)限制。因為在一定的VGS的電壓下，功率MOSFET都有一個確定的RDS(ON)，因此：
VDS=ID·RDS(ON)
這條斜線的斜率就是1/ RDS(ON)。功率MOSFET數據表中，在不同的溫度以及在不同的脈衝電流及脈衝寬度條件下，RDS(ON)的值都會不同，在實際的應用過程中，這條曲線的斜率因條件的不同而不同[1]。
(2)安全工作區SOA曲線最右邊的垂直邊界，是最大的漏源極電壓BVDSS。BVDSS是功率MOSFET數據表中所標稱的最小值。同樣的，在不同的測試條件下這個值也會不同，特別是採用更高的測試電流IDSS時，名義的標稱值就會偏高，而實際的工作範圍就會減小[2]。
(3)安全工作區SOA曲線最上面水平線，受最大的脈衝漏極電流IDM的限制。這個值是一個測量值，如果使用最小脈衝寬度下的瞬態熱阻值、最大的RDS(ON)和允許的溫升來計算，所得到最大漏極電流會比IDM更高，因此也就不正確，對於特定範圍的脈衝寬度，最大的脈衝漏極電流就定義為IDM[3-4]。
(4)安全工作區SOA曲線右上方平行的一組斜線，是不同的單脈衝寬度下功率損耗的限制。RDS(ON)限制的斜線和最大的脈衝漏極電流IDM有一個交點，在這個交點的右邊，不同的單脈衝寬度下的最大漏源極電流曲線都幾乎工作在線性區，這一組曲線上的任何一點的電流和電壓值，都是通過瞬態的熱阻和允許的溫升(功耗)所計算出來的。
其中，TJMax為最高允許工作結溫，150 ℃或者175 ℃，不同的產品定義不同。TC為殼溫，也就是封裝銅襯底溫度，通常是25 ℃。ZqJC為歸一化瞬態熱阻，RqJC為熱阻。
功率MOSFET數據表中有歸一化瞬態熱阻曲線，通過上述公式，就可以將不同的單脈衝寬度下，VDS和ID的曲線作出來，因此功率MOSFET數據表中，安全工作區SOA曲線右上方平行的一組斜線都是計算值[5]。
2 功率MOSFET實際工作條件
從上面的論述，功率MOSFET的安全工作區SOA曲線都是基於TC=25 ℃溫度下的計算值，在實際的工作中，功率MOSFET的TC的溫度，也就是器件下面銅皮的溫度，絕對不可能為25 ℃，通常遠遠高於25 ℃，有些應用達到100 ℃~120 ℃，一些極端的應用甚至會更高，這樣數據表中的安全工作區SOA曲線很難對實際的應用提供有用的參考價值。使用RJA折算成TA=25 ℃時的電流和電壓值作出安全工作區SOA曲線，相對的可以對實際的應用提供一些參考。
採用行業內的標準使用計算的方法所得到的安全工作區SOA中間的功率曲線，由於大多工作在線性區，計算過程不可能考慮到功率MOSFET的熱電效應。以前，功率MOSFET採用平面的結構，每個單元的間隔大，很少會產生局部的熱集中，基於TA=25 ℃的SOA曲線和實際的應用比較接近，偏差也較小。
由於技術不斷的進步，目前通常採用溝槽以及隔離柵SGT技術，單元的密度急劇提高，單元和單元間的間距小，容易相互加熱產生局部的熱集中，導致內部的單元不平衡，熱電效應的影響明顯的增強，特別是在高壓的時候，內部的電場外強度大，進一步增加熱電效應。因此，使用線性區的功率損耗計算的安全工作區SOA曲線，和實際的應用偏差非常大[6-7]。
對於大多開關電源和電力電子的應用，功率MOSFET工作在高頻的開關狀態，完全的導通或截止，米勒電容產生米勒平臺的線性區，也就是產生開關損耗的區間，持續的時間非常短，通常是幾個或幾十個ns，因此使用測量到的功率MOSFET電壓和電流的波形，在安全工作區SOA曲線的線性區描點，來校核功率MOSFET是否安全工作，這種方法並不正確，特別是在TC=25 ℃的安全工作區SOA曲線中進行這樣的校核完全沒有意義。當功率MOSFET工作在高頻的開關狀態時，計算功率MOSFET的總體損耗，由熱阻來校核結溫，更有意義一些。
3 功率MOSFET的安全工作區SOA曲線分析
下面分析幾個SOA曲線數據表中的例子，來進一步理解SOA曲線的定義。
3.1 AON6590
3.1.1 從安全工作區SOA曲線導通電阻RDS(ON)限制的斜率，來計算導通電阻：
RDS(ON) = (0.1-0.03)/(60-20) = 0.00175 Ω
在數據表1中可以得到TJ=25 ℃時RDS(ON)遠小於安全工作區SOA曲線的計算值，因此它的取值應該是TJ=150 ℃時的值。
不同的公司在安全工作區SOA曲線中，導通電阻RDS(ON)限制的斜線所採用的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 ℃，而且對於相應的溫度，取典型值還是最大值，也不相同。條件越嚴格，安全工作區SOA曲線的範圍就越小。
3.1.2 如表2最右邊的垂直邊界是功率MOSFET的額定電壓，這條直線的定義比較簡單，當然當測試條件不同時，額定電壓的值也會不同。
3.1.3 最上面的電流水平線，由最大的脈衝漏極電流IDM限制，安全工作區SOA曲線和數據表中的值都為400 A，基於TC=25 ℃。
最低DC的電流水平線，SOA曲線和數據表中的值都為100 A，基於TC=25 ℃。右上方平行的斜線組，列出了DC、不同的單脈衝寬度下，10 ms、1 ms、100 μs、10 μs的計算值斜線。
基於最高的結溫的允許溫升、熱阻或瞬態熱阻，那麼最高的允許的功率就可以確定，對於一個確定的電壓VDS，就可以計算相應的電流ID，這些斜線組相當於在TC=25 ℃時，工作在線性區的功率限制的計算值。
3.2 IPB117N20NFD
如圖3為IPB117N20NFD的安全工作區SOA曲線。
3.2.1 從安全工作區SOA曲線導通電阻RDS(ON)限制的斜率，來計算導通電阻：
RDS(ON) = (1-0.1)/(30-3) = 0.033 Ω
3.2.2 如表3最右邊的垂直邊界是功率MOSFET的額定電壓200 V。
(3)如表4最上面的電流水平線，由最大的脈衝漏極電流IDM限制，安全工作區SOA曲線和數據表中的值都為336 A，基於TC=25 ℃。
最低DC的電流水平線，安全工作區SOA曲線和數據表中的值都為84 A，基於TC=25 ℃。右上方平行的斜線組，列出了DC、不同的單脈衝寬度下，10 ms、1 ms、100 μs、10 μs、1 μs的計算值斜線。
4 實測功率MOSFET的安全工作區SOA曲線
一些應用中，功率MOSFET完全工作在線性區或較長的時間工作在線性區，那麼，為了保證功率MOSFET的可靠性，就要測量真正的安全工作區SOA曲線，以避免熱電效應所產生的破壞。設計的時候，要保證有一定的裕量，從而保證系統的安全，如圖4所示的IRFB4410的SOA曲線。
負載開關及熱插拔較長時間工作在導通電阻的負溫度係數區，分立MOSFET組成的LDO一直工作在負溫度係數區，也就是上面所謂的線性區，這二種應用設計要特別小心[6-7]。
5 結論
(1)功率MOSFET數據表中安全工作區的電壓、電流的限制邊界基於一定的測試條件，當測試條件改變時，其範圍也不相同。
(2)功率MOSFET數據表中安全工作區是基於TC=25 ℃溫度下的計算值，和實際的工作條件相差太大，因此不能作為校核其是否工作安全的標準。
(3)功率MOSFET的安全工作區的線性區沒有考慮熱電效應，不能採用數據表中計算的安全工作區來校核其是否工作安全，因此在線性區的工作條件下要採用實測的安全工作區曲線。
參考文獻
[1]劉松.理解功率MOSFET的Rds(on)溫度係數特性.今日電子,2009(11):25-26.
[2]劉松.功率MOSFET額定電壓BVDSS.今日電子,2017(7):23-24.
[3]劉松.脈衝漏極電流IDM及短路保護.今日電子,2018(1):21-23.
[4]劉松.理解功率MOSFET的電流.今日電子,2011(11):35-37.
[5]劉松.理解功率MOSFET熱阻特性.今日電子,2017(12):30-31.
[6]劉松,陳均,林濤.功率MOS管Rds(on)負溫度係數對負載開關設計影響.電子技術應用,2010,12(36):72-74.
[7]劉松.應用於線性調節器的中壓功率MOSFET的選擇.今日電子,2012(2):36-38.
作者簡介：
劉松，碩士，現任職於萬國半導體元件(深圳)有限公司應用總監，主要研究方向：開關電源、電力電子以及功率元件的應用和研究工作，曾獲得廣東省科技進步二等獎一項，在各類學術期刊上發表學術論文60多篇。
本文來源於科技期刊《電子產品世界》2019年第3期第45頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處