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  • MOS管安全工作區(qū)(SOA)分析-怎么確保MOS管工作在安全區(qū)
    • 發(fā)布時(shí)間:2019-08-15 16:34:07
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    mos管,mos管的安全工作區(qū)
    什么是mos管
    mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,或者稱(chēng)是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對(duì)調(diào)的,他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下,這個(gè)兩個(gè)區(qū)是一樣的,即使兩端對(duì)調(diào)也不會(huì)影響器件的性能。這樣的器件被認(rèn)為是對(duì)稱(chēng)的。
    mos管的安全工作區(qū)
    電源工程師最怕什么?炸機(jī)!用著用著就壞了,莫名其妙MOS管就炸了,真是又怕又恨,可到底是哪里出問(wèn)題了呢?這一切都和SOA相關(guān)。
    我們知道開(kāi)關(guān)電源中MOSFET、 IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開(kāi)關(guān)器件長(zhǎng)期工作于高電壓大電流狀態(tài),承受著很大的功耗,一但過(guò)壓或過(guò)流就會(huì)導(dǎo)致功耗大增,晶圓結(jié)溫急劇上升,如果散熱不及時(shí),就會(huì)導(dǎo)致器件損壞,甚至可能會(huì)伴隨爆炸,非常危險(xiǎn)。這里就衍生一個(gè)概念,安全工作區(qū)。
    什么是mos管的安全工作區(qū)?
    安全工作區(qū):SOA(Safe operating area)是由一系列(電壓,電流)坐標(biāo)點(diǎn)形成的一個(gè)二維區(qū)域,開(kāi)關(guān)器件正常工作時(shí)的電壓和電流都不會(huì)超過(guò)該區(qū)域。簡(jiǎn)單的講,只要器件工作在SOA區(qū)域內(nèi)就是安全的,超過(guò)這個(gè)區(qū)域就存在危險(xiǎn)。
    功率MOS管的安全工作區(qū)(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(dǎo)通電阻Ron4個(gè)參數(shù)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:
    mos管的安全工作區(qū)
    式中:Tjmax為最高工作結(jié)溫;TC為環(huán)境溫度;Rthjc為熱阻,由散熱方式?jīng)Q定。當(dāng)器件工作時(shí),所產(chǎn)生的熱量和散熱器所散發(fā)的熱量相等,處于熱平衡態(tài)。當(dāng)TC升高,散熱器的散熱效率降低,導(dǎo)致 P max 減小。根據(jù)上述分析可知,T升高,Ron增大,IDmax 減小,VDSmax 增大,Pmax減小。 圖3示出功率MOSFET的SOA示意圖。
    由圖可見(jiàn),與功率晶體管相比,功率MOSFET 雖不存在由雙極晶體管過(guò)熱引起的二次擊穿現(xiàn)象, SOA 相對(duì)較寬,但在高溫下,功率MOSFET的SOA縮小,允許通過(guò)的最大電流下降。所以,使用時(shí)要注意將功率 MOSFET 的漏極電流控制在SOA內(nèi),否則會(huì)導(dǎo)致器件失效。
    mos管的安全工作區(qū)
    SOA具體如何應(yīng)用和測(cè)試呢?
    開(kāi)關(guān)器件的各項(xiàng)參數(shù)在數(shù)據(jù)手冊(cè)中都會(huì)明確標(biāo)注,這里我們先來(lái)解讀兩個(gè)參數(shù):
    lVDS(Drain-source voltage):漏源電壓標(biāo)稱(chēng)值,反應(yīng)的是漏源極能承受的最大的電壓值;
    lIDM(Drain current(pulsed)):漏源最大單脈沖電流(非重復(fù)脈沖),反應(yīng)的是漏源極可承受的單次脈沖電流強(qiáng)。
    mos管的安全工作區(qū)
    開(kāi)關(guān)器件參數(shù)表
    器件手冊(cè)一般都會(huì)提供SOA(Safe operating area)數(shù)據(jù)圖表,主要和晶圓的散熱、瞬間電壓和電流的承受能力有關(guān),通過(guò)IDM和VDS及器件晶圓溝道損耗的限制形成一個(gè)工作區(qū)域,稱(chēng)為安全工作區(qū),如下圖所示。安全工作區(qū)可以避免管子因結(jié)溫過(guò)高而損壞。
    mos管的安全工作區(qū)
    器件手冊(cè) SOA 曲線圖
    示波器的測(cè)試應(yīng)用非常簡(jiǎn)單,使用電壓、電流探頭正常測(cè)試開(kāi)關(guān)管的VDS和IDM,并打開(kāi)SOA分析功能,對(duì)照數(shù)據(jù)手冊(cè)的SOA數(shù)據(jù)設(shè)置好示波器的SOA參數(shù)即可。一但波形觸碰到安全區(qū)以外的區(qū)域,就說(shuō)明器件超額工作,存在危險(xiǎn)。
    示波器的SOA分析功能有哪些作用?
    1、支持連續(xù)測(cè)試,并統(tǒng)計(jì)通過(guò)及失敗的總數(shù)次,該模式可用于連續(xù)烤機(jī)測(cè)試。
    2、支持觸碰(波形超出安全區(qū)域)停止、自動(dòng)截圖、聲音提示操作。
    3、安全工作區(qū)可通過(guò)電壓、電流、功率限制設(shè)定,也可自定義設(shè)定。
    mos管的安全工作區(qū)
    示波器SOA測(cè)試波形圖
    總結(jié)
    開(kāi)關(guān)器件的安全工作區(qū)是一項(xiàng)非常重要的參數(shù),通過(guò)示波器的SOA分析功能,可以快速有效的確定器件的工作是否安全,確保產(chǎn)品安全可靠。
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