MOS管SOA分析

我們知道開關電源中MOSFET、IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開關器件長期工作于高電壓大電流狀態(tài)，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。

熟悉和正確使用MOS管SOA分析情況，可以極大限度地提高開關器件的穩(wěn)定性和延長使用壽命。

 什么是SOA？

SOA（Safe operating area）是指安全工作區(qū)，由一系列限制條件組成的一個漏源極電壓VDS和漏極電流ID的二維坐標圖，開關器件正常工作時的電壓和電流都不應該超過該限定范圍。

圖1 SOA曲線示意圖

對于功率半導體器件，能夠安全、可靠地進行工作的電流和電壓范圍，稱為安全工作區(qū)，超過此范圍的電流和電壓工作時器件會發(fā)生損壞，容易引發(fā)電力電子裝置破壞性問題。任何功率半導體器件都需要給出安全工作區(qū)，一方面衡量器件的性能，同時為正確使用器件和設計電路參數(shù)提供依據(jù)。

開關器件的數(shù)據(jù)手冊中幾乎都能找到SOA的身影。

 SOA相關要點

SOA的限定范圍通常由最大漏極電流ID(max)或最大漏極脈沖電流IDM、 最大漏源電壓VD(MAX)、最大允許耗散功率PD(MAX)或最大脈沖耗散功率PDM、導通電阻RDS(on)共同決定的。

功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線，通常有4條邊界組成，分別說明如下：

1、安全工作區(qū)SOA曲線左上方的邊界斜線，受功率MOSFET的導通電阻RDS(ON)限制。

圖2 SOA受RDS(ON)的限制

因為在固定的VGS電壓和環(huán)境條件下，功率MOSFET的RDS(ON)是固定的，因此這條斜線的斜率為1/R(DS(ON))。則VDS與ID對應關系如下式：

在MOSFET的數(shù)據(jù)手冊中，可以找到RDS(ON)值的定義和范圍，如下圖所示：

圖3 數(shù)據(jù)手冊中的RDS(ON)

2、安全工作區(qū)SOA曲線最右邊的垂直邊界，是受最大的漏源極電壓BVDSS的限制，即漏源擊穿電壓。

圖4 SOA受BVDSS的限制

漏源擊穿電壓BVDSS限制了器件工作的最大電壓范圍，在功率MOSFET正常工作中，若漏極和源極之間的電壓過度增高，PN結反偏發(fā)生雪崩擊穿，為保障器件安全，在關斷過程及其穩(wěn)態(tài)下必須承受的漏極和源極間最高電壓應低于漏源擊穿電壓BVDSS。

漏源擊穿電壓BVDSS是功率MOSFET數(shù)據(jù)表中所標稱的最小值。如下圖所示：

圖5 數(shù)據(jù)手冊中的BVDSS

3、安全工作區(qū)SOA曲線最上面水平線，受最大的脈沖漏極電流IDM（或連續(xù)漏極電注ID）的限制。

圖6 SOA受IDM的限制

有些SOA曲線會分別標注DC和脈沖模式下的曲線，需要注意的是IDM是脈沖工作狀態(tài)的最大電流，通常最大漏極脈沖電流IDM為連續(xù)漏極電流ID的3到4倍，因此脈沖電流要遠高于連續(xù)的直流電流。IDM和ID在數(shù)據(jù)手冊中的定義如下：

圖7 數(shù)據(jù)手冊中的ID和IDM

4、安全工作區(qū)SOA曲線右上方平行的一組斜線，是DC和不同的單脈沖寬度下功率損耗的限制。

圖8 SOA受功率損耗的限制

MOS管SOA分析，MOSFET的數(shù)據(jù)表中通常都提供了PD值，PD值為DC直流狀態(tài)下的最大損耗功率，如下圖所示：

圖9 數(shù)據(jù)手冊中的PD

不同脈沖寬度下的最大損耗功率PDM通常需要計算得到。

DC時的最大損耗功率PD的計算公式為：

其中Tjmax為最大結溫，TC為殼溫，RθJC為穩(wěn)態(tài)熱阻，這三個值在數(shù)據(jù)手冊中都可以查到。

不同脈沖寬度時的脈沖耗散功率PDM的計算公式為：

其中Tjmax為最大結溫，TC為殼溫，ZθJC為歸一化瞬態(tài)熱阻系數(shù)，RθJC為穩(wěn)態(tài)熱阻。ZθJC可以在MOSFET的數(shù)據(jù)手冊中的脈沖寬度與ZθJC的曲線圖中查到，因此可以通過脈沖寬度來計算出PDM。

圖10 脈沖寬度與歸一化瞬態(tài)熱阻關系圖

SOA注意事項

功率MOSFET數(shù)據(jù)手冊中，相關極限參數(shù)和安全工作區(qū)SOA曲線都是基于工作溫度TC =25 ℃下的計算值。

例如，一款MOS管的BVDSS為600V，但這個600V是在25℃的值，如果工作在-25℃時，則BVDSS可能只有550V。如下圖所示：

圖11 不同溫度下的BVDSS

在實際的工作中，功率MOSFET的TC溫度，絕對不可能為25 ℃，通常遠遠高于25 ℃，因此在實際設定和使用SOA時，一定要根據(jù)實際條件來對SOA限定條件進行修正和降額。

例如，在不同的工作溫度、不同的脈沖電流或脈沖寬度條件下，RDS(ON)的值都會不同。在功率MOSFET的數(shù)據(jù)手冊中通常都提供了溫度-RDS(ON)的特征曲線圖，如下圖所示：

圖12 溫度-RDS(ON)關系圖

從RDS(ON)與溫度的關系曲線可見，當結溫從25℃升高到110℃，導通電阻提高了一倍，溫度越高，RDS(ON)所限制的安全工作區(qū)縮小，所以在實際應用中需要用特定工作環(huán)境下的導通電阻限定安全工作區(qū)。

同樣，ID(max)、VD(MAX)和PD(MAX)都需要根據(jù)實際工作的環(huán)境條件進行降額和修正。

 SOA實測

MOS管SOA分析，示波器的SOA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，打開SOA分析功能，對照數(shù)據(jù)手冊的SOA數(shù)據(jù)設置好示波器的SOA參數(shù)即可。

以22N60N這款MOSFET為例，我們查看數(shù)據(jù)手冊，連續(xù)工作模式的相關參數(shù)如下：

圖13 FCP22N60N數(shù)據(jù)手冊

我們來設置示波器的SOA參數(shù)，BVDSS對應于“電壓限定值”，ID對應于“電流限定值”，PD對應于“功率限定值”，RDS(ON)對應于“Rds(on)限定值”，同時設置合適的電壓電流坐標范圍（即電壓電流最大值和最小值），參數(shù)設置界面如下圖所示：

圖14 參數(shù)設置界面

示波器生成的SOA模板，可以與MOSFET數(shù)據(jù)手冊中的相應條件的SOA進行對比，如下圖所示。當然在實際使用中，還是需要根據(jù)當前環(huán)境和工作條件對SOA限定區(qū)域條件進行降額和修正。

圖15 SOA模板與數(shù)據(jù)手冊中SOA對比

ZDS4000示波器的最新的SOA功能還提供了如下測試功能：

創(chuàng)新性地支持脈沖寬度Tp的參數(shù)設置，測試時會判定脈沖寬度是否達到Tp時間值；

支持導通電阻Rdson的參數(shù)設置，影響SOA模板的內阻限定區(qū)域；

支持連續(xù)測試，并統(tǒng)計通過及失敗的總數(shù)次，該模式可用于連續(xù)烤機測試；

支持觸碰（波形超出安全區(qū)域）停止、自動截圖、聲音提示操作；

安全工作區(qū)可通過電壓、電流、功率限制設定，也可通過多坐標點自定義設定；

安全工作區(qū)支持對數(shù)坐標和線性坐標顯示。