Comprendre la zone de fonctionnement sûre MOSFET ou SOA

Si vous vous demandez ou vous inquiétez de la puissance que votre MOSFET peut tolérer dans des conditions extrêmes ou dans des situations de dissipation extrêmes, les chiffres SOA de l'appareil sont exactement ce que vous devriez regarder.

Dans cet article, nous discuterons en détail de la zone d'exploitation sûre, ou SOA, telle qu'elle apparaît dans la fiche technique du MOSFET.

Voici la zone de fonctionnement sûre du MOSFET ou le graphique SOA qui est normalement visible dans tous Texas Instruments feuilles de données.

Le MOSFET SOA est décrit comme l'amplitude qui spécifie la puissance maximale que le FET peut gérer lorsqu'il fonctionne dans la région de saturation.

L'aperçu agrandi du graphique SOA peut être vu dans l'image suivante ci-dessous.

Dans le graphique SOA ci-dessus, nous pouvons voir toutes ces limitations et limites. Et plus loin dans le graphique, nous trouvons des limitations supplémentaires pour de nombreuses durées d'impulsions individuelles. Et ces lignes à l'intérieur du graphique pourraient être déterminées par des calculs ou des mesures physiques.

Dans les fiches techniques antérieures et plus anciennes, ces paramètres étaient estimés avec des valeurs calculées.

Cependant, il est normalement recommandé que ces paramètres soient mesurés dans la pratique. Si vous les évaluez à l'aide de formules, vous pourriez finir par obtenir des valeurs hypothétiques qui peuvent être littéralement beaucoup plus grandes que ce que le FET peut tolérer dans une application réelle. Ou peut-être pouvez-vous déclasser (surcompenser) les paramètres à un niveau qui peut être beaucoup trop modéré, par rapport à ce que le FET peut réellement gérer.

Ainsi, dans nos discussions suivantes, nous apprenons les paramètres SOA qui sont évalués par des méthodes pratiques réelles et non par des formules ou des simulations.

Commençons par comprendre ce qu'est le mode de saturation et le mode linéaire dans les FET.

Mode linéaire vs mode saturation

En se référant au graphique ci-dessus, le mode linéaire est défini comme la région dans laquelle le RDS (activé) ou la résistance drain-source du FET est cohérent.

Cela signifie que le courant traversant le FET est directement proportionnel à la polarisation drain-source à travers le FET. Elle est également souvent connue sous le nom de région ohmique, car le FET agit essentiellement de manière similaire à une résistance fixe.

Maintenant, si nous commençons à augmenter la tension de polarisation drain-source vers le FET, nous trouvons finalement le FET fonctionnant dans une région connue sous le nom de région de saturation. Une fois que le fonctionnement du MOSFET est forcé dans la région de saturation, le courant (ampères) se déplaçant via le MOSFET à travers le drain vers la source ne répond plus à l'augmentation de la tension de polarisation drain-source.

Par conséquent, quel que soit le degré d'augmentation de la tension de drain, ce FET continue de transférer un niveau de courant maximal fixe à travers lui.

Le seul moyen par lequel vous pouvez manipuler le courant est généralement de faire varier la tension grille-source.

Cependant, cette situation semble légèrement déroutante, car il s'agit généralement de descriptions de votre manuel de la région linéaire et de saturation. Auparavant, nous avons appris que ce paramètre est assez souvent appelé région ohmique. Néanmoins, quelques personnes appellent cela la région linéaire. Peut-être que l'état d'esprit est, eh bien, cela ressemble à une ligne droite, donc cela doit être linéaire?

Si vous remarquez que les gens discutent des applications remplaçables à chaud, ils vont exprimer, eh bien, je travaille dans une région linéaire. Mais c'est fondamentalement inapproprié sur le plan technologique.

Comprendre MOSFET SOA

Maintenant que nous savons ce qu'est une région de saturation FET, nous pouvons maintenant revoir notre graphique SOA en détail. La SOA peut être décomposée en 5 limitations individuelles. Apprenons ce qu'ils sont exactement.

Limitation RDS (on)

La première ligne du graphique, de couleur grise, représente la limitation RDS (activée) du FET. Et c'est la région qui limite effectivement la quantité maximale de courant à travers le FET en raison de la résistance à l'état passant de l'appareil.

En d'autres termes, il indique la résistance la plus élevée du MOSFET qui peut exister à la température de jonction maximale tolérable du MOSFET.

Nous observons que cette ligne grise a une pente constante positive de l'unité, simplement parce que chaque point à l'intérieur de cette ligne possède une quantité identique de résistance ON, conformément à la loi d'Ohm, qui stipule que R est égal à V divisé par I.

Limitation actuelle

La ligne de limitation suivante dans le graphique SOA représente la limitation actuelle. Sur le graphique, les différentes valeurs d'impulsion indiquées par les lignes bleues, vertes, violettes peuvent être vues, limitées à 400 ampères par la ligne noire horizontale supérieure.

La courte section horizontale de la ligne ROUGE indique la limite du boîtier de l'appareil, ou la limite de courant continu (CC) du FET, à environ 200 ampères.

Limitation de puissance maximale

La troisième limitation SOA est la ligne de limitation de puissance maximale du MOSFET, représentée par la ligne en pente orange.

Comme nous le remarquons, cette droite a une pente constante mais négative. Elle est constante puisque chaque point de cette ligne de limite de puissance SOA porte la même puissance constante, représentée par la formule P = IV.

Par conséquent, dans cette courbe logarithmique SOA, cela génère une pente de -1. Le signe négatif est dû au fait que le flux de courant à travers le MOSFET diminue ici lorsque la tension drain-source augmente.

Ce phénomène est principalement dû aux caractéristiques de coefficient négatif du MOSFET qui limite le courant traversant le dispositif lorsque sa température de jonction augmente.

Limitation de l'instabilité thermique

Ensuite, la quatrième limitation MOSFET à travers sa zone de fonctionnement sûre est indiquée par la ligne jaune en pente, qui représente la limitation d'instabilité thermique.

C'est dans cette région de la SOA qui devient vraiment cruciale pour mesurer réellement la capacité de fonctionnement de l'appareil. En effet, cette région d'instabilité thermique ne peut être prédite par aucun moyen approprié.

Par conséquent, nous devons pratiquement analyser le MOSFET dans ce domaine pour savoir où le FET peut échouer, et quelle est exactement la capacité de travail de l'appareil spécifique?

Ainsi, nous pouvons voir maintenant, si nous devions prendre cette limitation de puissance maximale, et l'étendre tout en bas en bas de la ligne jaune, alors, tout à coup, ce que nous trouvons?

Nous constatons que la limitation de défaillance du MOSFET atterrit au niveau très bas, qui est beaucoup plus faible en valeur par rapport à la région de limitation de puissance maximale promue sur la feuille de données (représentée par la pente orange).

Ou supposons que nous soyons trop conservateurs et que nous disions aux gens que, regardez la région inférieure de la ligne jaune, c'est en fait ce que le FET peut gérer au maximum. Eh bien, nous sommes peut-être du côté le plus sûr avec cette déclaration, mais nous aurions peut-être surcompensé la capacité de limitation de puissance de l'appareil, ce qui n'est peut-être pas raisonnable, n'est-ce pas?

C'est exactement pourquoi cette région d'instabilité thermique ne peut pas être déterminée ou revendiquée avec des formules, mais doit être réellement testée.

Limitation de la tension de claquage

La cinquième région de limitation dans le graphique SOA est la limitation de la tension de claquage, représentée par la ligne verticale noire. Qui est simplement la capacité de traitement de tension drain-source maximale du FET.

Selon le graphique, l'appareil dispose d'un BVDSS de 100 volts, ce qui explique pourquoi cette ligne verticale noire est appliquée à la marque Drain-Source de 100 volts.

Il serait intéressant d'étudier un peu plus la notion antérieure d'instabilité thermique. Pour ce faire, nous devrons décrire une phrase appelée «coefficient de température».

Coefficient de température MOSFET

Le coefficient de température du MOSFET peut être défini comme le changement de courant par rapport au changement de température de jonction du MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Par conséquent, lorsque nous examinons la courbe des caractéristiques de transfert d'un MOSFET dans sa fiche technique, nous trouvons le courant drain-source du FET par rapport à la tension grille-source croissante du FET, nous constatons également que cette caractéristique est évaluée à 3 différentes plages de température.

Coefficient de température zéro (ZTC)

Si nous regardons le point représenté par le cercle orange, c'est ce que nous indiquerions comme coefficient de température nul du MOSFET .

À ce stade, même si la température de jonction du dispositif continue d'augmenter, ne produit aucune amélioration du transfert de courant à travers le FET.

∂I_ré/ ∂T_j = 0 , où je_ré est le courant de drain du MOSFET, T_j représente la température de jonction de l'appareil

Si nous regardons la région au-dessus de ce coefficient de température nul (cercle orange), alors que nous passons du négatif -55 à 125 degrés Celsius, le courant à travers le FET commence en fait à chuter.

∂I_ré/ ∂T_j <0

Cette situation indique que le MOSFET devient vraiment plus chaud, mais que la puissance dissipée à travers l'appareil diminue. Cela implique qu'il n'y a en fait aucun risque d'instabilité pour l'appareil, et une surchauffe de l'appareil peut être autorisée, et contrairement aux BJT, il n'y a probablement aucun risque d'emballement thermique.

Cependant, à des courants dans la région en dessous du coefficient de température zéro (cercle orange), nous remarquons la tendance, où une augmentation de la température de l'appareil, c'est-à-dire à travers le négatif -55 à 125 degrés, provoque la capacité de transfert de courant de l'appareil pour augmenter réellement.

∂I_ré/ ∂T_j > 0

Cela est dû au fait que le coefficient de température du MOSFET est à ces points supérieur à zéro. Mais, d'autre part, une augmentation du courant à travers le MOSFET, provoque une augmentation proportionnelle du RDS du MOSFET (on) (résistance drain-source) et provoque également une augmentation proportionnelle de la température corporelle de l'appareil progressivement, conduisant à un courant supplémentaire. transfert via l'appareil. Lorsque le MOSFET entre dans cette région d'une boucle de rétroaction positive, il peut développer une instabilité dans le comportement du MOSFET.

Cependant, personne ne peut dire si la situation ci-dessus peut se produire ou non, et il n'y a pas de conception facile pour prévoir quand ce type d'instabilité pourrait survenir dans le MOSFET.

En effet, il peut y avoir de nombreux paramètres impliqués avec le MOSFET en fonction de sa structure de densité cellulaire elle-même, ou de la flexibilité de l'emballage pour dissiper la chaleur uniformément dans tout le corps du MOSFET.

En raison de ces incertitudes, des facteurs tels que l'emballement thermique ou toute instabilité thermique dans les régions indiquées doivent être confirmés pour chaque MOSFET particulier. Non, ces attributs du MOSFET ne peuvent pas être devinés simplement en appliquant l'équation de perte de puissance maximale.

Pourquoi la SOA est si cruciale

Les chiffres SOA peuvent être extrêmement utiles dans les applications MOSFET où le dispositif est fréquemment utilisé dans les régions de saturation.

Il est également utile pour échange à chaud ou les applications de contrôleur Oring, où il devient crucial de savoir exactement quelle puissance le MOSFET pourra tolérer, en se référant à leurs diagrammes SOA.

Dans la pratique, vous constaterez que les valeurs de zone de fonctionnement sûre du MOSFET ont tendance à être très utiles pour la plupart des consommateurs traitant des produits de commande de moteur, d'onduleur / convertisseur ou de SMPS, où l'appareil est généralement utilisé dans des conditions de température ou de surcharge extrêmes.

Sources: Formation MOSFET , Zone de fonctionnement sûre