分享MOS管工作在安全區的方法

2020-11-26 電子發燒友

分享MOS管工作在安全區的方法

KIA半導體 發表於 2019-08-12 10:50:16

電子工程師最怕的是什麼？不用想，肯定是炸機!用著用著就壞了，莫名其妙MOS管就炸了，可到底是哪裡出問題了呢?這一切都和SOA相關。

大家都知道開關電源中MOS管、 IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開關器件長期工作於高電壓大電流狀態，承受著很大的功耗，一但過壓或過流就會導致功耗大增，晶圓結溫急劇上升，如果散熱不及時，就會導致器件損壞，甚至可能會伴隨爆炸，非常危險。這裡就衍生一個概念，安全工作區。

什麼是安全工作區？  

安全工作區：SOA(Safe operating area)是由一系列(電壓，電流)坐標點形成的一個二維區域，開關器件正常工作時的電壓和電流都不會超過該區域。簡單的講，只要器件工作在SOA區域內就是安全的，超過這個區域就存在危險。

功率MOS管的安全工作區（SOA）受最大漏源電壓VDSmax ，最大漏極電流IDmax ，最大允許功耗Pmax和導通電阻Ron4個參數的限制。其中VDSmax 即為漏源擊穿電壓VBR，IDmax即為漏極飽和電流IDsat，而Pmax則由溫度及熱阻決定，可表示為：

式中：Tjmax為最高工作結溫；TC為環境溫度；Rthjc為熱阻，由散熱方式決定。當器件工作時，所產生的熱量和散熱器所散發的熱量相等，處於熱平衡態。當TC升高，散熱器的散熱效率降低，導致 P max 減小。

根據上述分析可知，T升高，Ron增大，IDmax 減小，VDSmax 增大，Pmax減小。 下圖示出功率MOSFET的SOA示意圖。

由下圖可見，與功率電晶體相比，功率MOSFET 雖不存在由雙極電晶體過熱引起的二次擊穿現象， SOA 相對較寬，但在高溫下，功率MOSFET的SOA縮小，允許通過的最大電流下降。所以，使用時要注意將功率 MOSFET 的漏極電流控制在SOA內，否則會導致器件失效。

SOA具體如何應用和測試？  

開關器件的各項參數在數據手冊中都會明確標註，這裡我們先來解讀兩個參數：

1、VDS(Drain-source voltage)：漏源電壓標稱值，反應的是漏源極能承受的最大的電壓值;

2、IDM(Drain current(pulsed))：漏源最大單脈衝電流(非重複脈衝)，反應的是漏源極可承受的單次脈衝電流強。

圖 開關器件參數表

器件手冊一般都會提供SOA(Safe operating area)數據圖表，主要和晶圓的散熱、瞬間電壓和電流的承受能力有關，通過IDM和VDS及器件晶圓溝道損耗的限制形成一個工作區域，稱為安全工作區，如下圖所示。安全工作區可以避免管子因結溫過高而損壞。

圖 器件手冊 SOA 曲線圖

示波器的測試應用非常簡單，使用電壓、電流探頭正常測試開關管的VDS和IDM，並打開SOA分析功能，對照數據手冊的SOA數據設置好示波器的SOA參數即可。一但波形觸碰到安全區以外的區域，就說明器件超額工作，存在危險。

示波器的SOA分析功能有哪些作用?  

1、支持連續測試，並統計通過及失敗的總數次，該模式可用於連續烤機測試。

2、支持觸碰(波形超出安全區域)停止、自動截圖、聲音提示操作。

3、安全工作區可通過電壓、電流、功率限制設定，也可自定義設定。

圖 示波器SOA測試波形圖

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