功率MOSFET安全作业区，真的安全吗？

作者/刘松(万国半导体元件(深圳)有限公司，上海 静安 200070)

　　摘要：本文论说了功率MOSFET数据表中安全作业区每条曲线的意义，具体阐明最大的脉冲漏极电流的界说。剖析了依据环境温度、最大答应结温文功耗核算的安全作业区不能作为实践运用中MOSFET是否安全的规范原因。特别阐明晰功率MOSFET彻底作业在线性区或较长的时刻作业在线性区的运用中，有必要选用实测的安全作业区理由。

　　关键词：功率MOSFET;安全作业区;线性区;热电效应

　　0 导言

　　许多研制工程师常常会运用丈量的作业波形来校核功率MOSFET的SOA曲线，例如：做电源的研制工程师，电源结构为反激或BUCK降压变换器，丈量到功率MOSFET的电压和电流波形，然后依据电压、电流波形和作业的脉宽时刻，在SOA曲线中描出对应的作业点，来校核作业点是否在SOA曲线的规模内，以此来判别功率MOSFET的作业是否安全。事实上，这样的校核办法并不正确，原因在于关于功率MOSFET的安全作业区曲线了解的误差。本文将具体的介绍功率MOSFET数据表中安全区的界说，然后让工程师针对不同的运用，运用有用的办法校核其安全。

　　1 功率MOSFET安全作业区SOA曲线

　　功率MOSFET数据表中，安全作业区SOA曲线是正向偏置的安全作业区SOA曲线，即FBSOA曲线，那么这个安全作业区SOA曲线是怎么界说的呢?这个曲线有必要结合功率MOSFET的耐压、电流特性和热阻特性，来了解功率MOSFET的安全作业区SOA曲线。它界说了最大的漏源极电压值、漏极电流值，以确保器材在正向偏置时安全的作业，如图1所示。数据表中，功率MOSFET安全作业区SOA曲线有4条鸿沟，别离阐明如下。

　　(1)安全作业区SOA曲线左上方的鸿沟斜线，受功率MOSFET的导通电阻R_DS(ON)约束。因为在必定的V_GS的电压下，功率MOSFET都有一个确认的R_DS(ON)，因而：

　　V_DS=I_D·R_DS(ON)

　　这条斜线的斜率便是1/
R_DS(ON)。功率MOSFET数据表中，在不同的温度以及在不同的脉冲电流及脉冲宽度条件下，RDS(ON)的值都会不同，在实践的运用进程中，这条曲线的斜率因条件的不同而不同^[1]。

　　(2)安全作业区SOA曲线最右边的笔直鸿沟，是最大的漏源极电压BV_DSS。BV_DSS是功率MOSFET数据表中所标称的最小值。相同的，在不同的测验条件下这个值也会不同，特别是选用更高的测验电流I_DSS时，名义的标称值就会偏高，而实践的作业规模就会减小^[2]。

　　(3)安全作业区SOA曲线最上面水平线，受最大的脉冲漏极电流I_DM的约束。这个值是一个丈量值，假如运用最小脉冲宽度下的瞬态热阻值、最大的R_DS(ON)和答应的温升来核算，所得到最大漏极电流会比I_DM更高，因而也就不正确，关于特定规模的脉冲宽度，最大的脉冲漏极电流就界说为IDM^[3-4]。

　　(4)安全作业区SOA曲线右上方平行的一组斜线，是不同的单脉冲宽度下功率损耗的约束。R_DS(ON)约束的斜线和最大的脉冲漏极电流I_DM有一个交点，在这个交点的右边，不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流曲线都简直作业在线性区，这一组曲线上的任何一点的电流和电压值，都是经过瞬态的热阻和答应的温升(功耗)所核算出来的。

　　其间，T_JMax为最高答应作业结温，150 ℃或许175 ℃，不同的产品界说不同。T_C为壳温，也便是封装铜衬底温度，一般是25
℃。Z_qJC为归一化瞬态热阻，R_qJC为热阻。

　　功率MOSFET数据表中有归一化瞬态热阻曲线，经过上述公式，就能够将不同的单脉冲宽度下，V_DS和I_D的曲线作出来，因而功率MOSFET数据表中，安全作业区SOA曲线右上方平行的一组斜线都是核算值^[5]。

　　2 功率MOSFET实践作业条件

　　从上面的论说，功率MOSFET的安全作业区SOA曲线都是依据TC=25
℃温度下的核算值，在实践的作业中，功率MOSFET的TC的温度，也便是器材下面铜皮的温度，绝对不可能为25 ℃，一般远远高于25 ℃，有些运用到达100
℃~120 ℃，一些极点的运用甚至会更高，这样数据表中的安全作业区SOA曲线很难对实践的运用供给有用的参阅价值。运用RJA折算成TA=25
℃时的电流和电压值作出安全作业区SOA曲线，相对的能够对实践的运用供给一些参阅。

　　选用行业界的规范运用核算的办法所得到的安全作业区SOA中心的功率曲线，因为大多作业在线性区，核算进程不可能考虑到功率MOSFET的热电效应。曾经，功率MOSFET选用平面的结构，每个单元的距离大，很少会发生部分的热会集，依据T_A=25
℃的SOA曲线和实践的运用比较挨近，误差也较小。

　　因为技能不断的前进，现在一般选用沟槽以及阻隔栅SGT技能，单元的密度急剧进步，单元和单元间的距离小，简单彼此加热发生部分的热会集，导致内部的单元不平衡，热电效应的影响显着的增强，特别是在高压的时分，内部的电场外强度大，进一步添加热电效应。因而，运用线性区的功率损耗核算的安全作业区SOA曲线，和实践的运用误差十分大^[6-7]。

　　关于大多开关电源和电力电子的运用，功率MOSFET作业在高频的开关状况，彻底的导通或截止，米勒电容发生米勒渠道的线性区，也便是发生开关损耗的区间，继续的时刻十分短，一般是几个或几十个ns，因而运用丈量到的功率MOSFET电压和电流的波形，在安全作业区SOA曲线的线性区描点，来校核功率MOSFET是否安全作业，这种办法并不正确，特别是在T_C=25
℃的安全作业区SOA曲线中进行这样的校核彻底没有意义。当功率MOSFET作业在高频的开关状况时，核算功率MOSFET的整体损耗，由热阻来校核结温，更有意义一些。

　　3 功率MOSFET的安全作业区SOA曲线剖析

　　下面剖析几个SOA曲线数据表中的比如，来进一步了解SOA曲线的界说。

　　3.1 AON6590

　　3.1.1 从安全作业区SOA曲线导通电阻RDS(ON)约束的斜率，来核算导通电阻：

　　R_DS(ON) = (0.1-0.03)/(60-20) = 0.00175 Ω

　　在数据表1中能够得到T_J=25 ℃时R_DS(ON)远小于安全作业区SOA曲线的核算值，因而它的取值应该是T_J=150 ℃时的值。

　　不同的公司在安全作业区SOA曲线中，导通电阻R_DS(ON)约束的斜线所选用的RDS(ON)的值，有些公司取T_J=25 ℃，有些公司取T_J=150
℃，有些公司取T_J=175 ℃，并且关于相应的温度，取典型值仍是最大值，也不相同。条件越严厉，安全作业区SOA曲线的规模就越小。

　　3.1.2 如表2最右边的笔直鸿沟是功率MOSFET的额外电压，这条直线的界说比较简单，当然当测验条件不一起，额外电压的值也会不同。

　　3.1.3 最上面的电流水平线，由最大的脉冲漏极电流I_DM约束，安全作业区SOA曲线和数据表中的值都为400 A，依据T_C=25 ℃。

　　最低DC的电流水平线，SOA曲线和数据表中的值都为100 A，依据T_C=25 ℃。右上方平行的斜线组，列出了DC、不同的单脉冲宽度下，10 ms、1
ms、100 μs、10 μs的核算值斜线。

　　依据最高的结温的答应温升、热阻或瞬态热阻，那么最高的答应的功率就能够确认，关于一个确认的电压V_DS，就能够核算相应的电流I_D，这些斜线组相当于在T_C=25
℃时，作业在线性区的功率约束的核算值。

　　3.2 IPB117N20NFD

　　如图3为IPB117N20NFD的安全作业区SOA曲线。

　　3.2.1 从安全作业区SOA曲线导通电阻R_DS(ON)约束的斜率，来核算导通电阻：

　　R_DS(ON) = (1-0.1)/(30-3) = 0.033 Ω

　　3.2.2 如表3最右边的笔直鸿沟是功率MOSFET的额外电压200 V。

　　(3)如表4最上面的电流水平线，由最大的脉冲漏极电流IDM约束，安全作业区SOA曲线和数据表中的值都为336 A，依据T_C=25 ℃。

　　最低DC的电流水平线，安全作业区SOA曲线和数据表中的值都为84 A，依据T_C=25 ℃。右上方平行的斜线组，列出了DC、不同的单脉冲宽度下，10
ms、1 ms、100 μs、10 μs、1 μs的核算值斜线。

　　4 实测功率MOSFET的安全作业区SOA曲线

　　一些运用中，功率MOSFET彻底作业在线性区或较长的时刻作业在线性区，那么，为了确保功率MOSFET的可靠性，就要丈量真实的安全作业区SOA曲线，以防止热电效应所发生的损坏。规划的时分，要确保有必定的裕量，然后确保体系的安全，如图4所示的IRFB4410的SOA曲线。

　　负载开关及热插拔较长时刻作业在导通电阻的负温度系数区，分立MOSFET组成的LDO一向作业在负温度系数区，也便是上面所谓的线性区，这二种运用规划要特别当心^[6-7]。

　　5 定论

　　(1)功率MOSFET数据表中安全作业区的电压、电流的约束鸿沟依据必定的测验条件，当测验条件改动时，其规模也不相同。

　　(2)功率MOSFET数据表中安全作业区是依据T_C=25 ℃温度下的核算值，和实践的作业条件相差太大，因而不能作为校核其是否作业安全的规范。

　　(3)功率MOSFET的安全作业区的线性区没有考虑热电效应，不能选用数据表中核算的安全作业区来校核其是否作业安全，因而在线性区的作业条件下要选用实测的安全作业区曲线。

　　参阅文献

　　[1]刘松.了解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性.今天电子,2009(11):25-26.

　　[2]刘松.功率MOSFET额外电压BVDSS.今天电子,2017(7):23-24.

　　[3]刘松.脉冲漏极电流IDM及短路维护.今天电子,2018(1):21-23.

　　[4]刘松.了解功率MOSFET的电流.今天电子,2011(11):35-37.

　　[5]刘松.了解功率MOSFET热阻特性.今天电子,2017(12):30-31.

　　[6]刘松,陈均,林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关规划影响.电子技能运用,2010,12(36):72-74.

　　[7]刘松.运用于线性调节器的中压功率MOSFET的挑选.今天电子,2012(2):36-38.

　　作者简介：

　　刘松，硕士，现任职于万国半导体元件(深圳)有限公司运用总监，首要研讨方向：开关电源、电力电子以及功率元件的运用和研讨作业，曾取得广东省科技前进二等奖一项，在各类学术期刊上宣布学术论文60多篇。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第45页，欢迎您写论文时引证，并注明出处