【導讀】板子上的功率MOS管是否能持續安全工作，是設計者最擔心的問(wèn)題。炸機、用著(zhù)用著(zhù)就壞了、莫名其妙MOS管就炸了，工程師遇到這些真是又怕又恨，可到底是哪里出問(wèn)題了呢？這一切其實(shí)都和SOA有關(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(cháng)期工作于高電壓大電流狀態(tài)，承受著(zhù)很大的功耗，一但過(guò)壓或過(guò)流就會(huì )導致功耗大增，晶圓結溫急劇上升，如果散熱不及時(shí)，就會(huì )導致器件損壞，甚至可能會(huì )伴隨爆炸，非常危險。
熟悉和正確使用SOA，可以極大限度地提高開(kāi)關(guān)器件的穩定性和延長(cháng)使用壽命。
什么是SOA？
SOA（Safe operating area）是指安全工作區，由一系列限制條件組成的一個(gè)漏源極電壓VDS和漏極電流ID的二維坐標圖，開(kāi)關(guān)器件正常工作時(shí)的電壓和電流都不應該超過(guò)該限定范圍。
圖1 SOA曲線(xiàn)示意圖
對于功率半導體器件，能夠安全、可靠地進(jìn)行工作的電流和電壓范圍，稱(chēng)為安全工作區，超過(guò)此范圍的電流和電壓工作時(shí)器件會(huì )發(fā)生損壞，容易引發(fā)電力電子裝置破壞性問(wèn)題。任何功率半導體器件都需要給出安全工作區，一方面衡量器件的性能，同時(shí)為正確使用器件和設計電路參數提供依據。
開(kāi)關(guān)器件的數據手冊中幾乎都能找到SOA的身影。
SOA相關(guān)要點(diǎn)
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SOA曲線(xiàn)，通常有4條邊界組成，分別說(shuō)明如下：
1、安全工作區SOA曲線(xiàn)左上方的邊界斜線(xiàn)，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(xiàn)的斜率為1/R(DS(ON))。則VDS與ID對應關(guān)系如下式：
在MOSFET的數據手冊中，可以找到RDS(ON)值的定義和范圍，如下圖所示：
圖3 數據手冊中的RDS(ON)
2、安全工作區SOA曲線(xiàn)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(guò)度增高，PN結反偏發(fā)生雪崩擊穿，為保障器件安全，在關(guān)斷過(guò)程及其穩態(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數據表中所標稱(chēng)的最小值。如下圖所示：
圖5 數據手冊中的BVDSS
3、安全工作區SOA曲線(xiàn)最上面水平線(xiàn)，受最大的脈沖漏極電流IDM（或連續漏極電注ID）的限制。
圖6 SOA受IDM的限制
有些SOA曲線(xiàn)會(huì )分別標注DC和脈沖模式下的曲線(xiàn)，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為連續漏極電流ID的3到4倍，因此脈沖電流要遠高于連續的直流電流。IDM和ID在數據手冊中的定義如下：
圖7 數據手冊中的ID和IDM
4、安全工作區SOA曲線(xiàn)右上方平行的一組斜線(xiàn)，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
MOSFET的數據表中通常都提供了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 數據手冊中的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(shí)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為穩態(tài)熱阻，這三個(gè)值在數據手冊中都可以查到。
不同脈沖寬度時(shí)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，RθJC為穩態(tài)熱阻。ZθJC可以在MOSFET的數據手冊中的脈沖寬度與ZθJC的曲線(xiàn)圖中查到，因此可以通過(guò)脈沖寬度來(lái)計算出PDM。
圖10 脈沖寬度與歸一化瞬態(tài)熱阻關(guān)系圖
SOA注意事項
功率MOSFET數據手冊中，相關(guān)極限參數和安全工作區SOA曲線(xiàn)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(gè)600V是在25℃的值，如果工作在-25℃時(shí)，則BVDSS可能只有550V。如下圖所示：
圖11 不同溫度下的BVDSS
在實(shí)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(shí)際設定和使用SOA時(shí)，一定要根據實(shí)際條件來(lái)對SOA限定條件進(jìn)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(huì )不同。在功率MOSFET的數據手冊中通常都提供了溫度-RDS(ON)的特征曲線(xiàn)圖，如下圖所示：
圖12 溫度-RDS(ON)關(guān)系圖
從RDS(ON)與溫度的關(guān)系曲線(xiàn)可見(jiàn)，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縮小，所以在實(shí)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。
同樣，ID(max)、VD(MAX)和PD(MAX)都需要根據實(shí)際工作的環(huán)境條件進(jìn)行降額和修正。
SOA實(shí)測
示波器的SOA測試應用非常簡(jiǎn)單，使用電壓、電流探頭正常測試開(kāi)關(guān)管的VDS和IDM，打開(kāi)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。
以FCP22N60N這款MOSFET為例，我們查看數據手冊，連續工作模式的相關(guān)參數如下：
圖13 FCP22N60N數據手冊
我們來(lái)設置示波器的SOA參數，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(shí)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），參數設置界面如下圖所示：
圖14 參數設置界面
示波器生成的SOA模板，可以與MOSFET數據手冊中的相應條件的SOA進(jìn)行對比，如下圖所示。當然在實(shí)際使用中，還是需要根據當前環(huán)境和工作條件對SOA限定區域條件進(jìn)行降額和修正。
圖15 SOA模板與數據手冊中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的參數設置，測試時(shí)會(huì )判定脈沖寬度是否達到Tp時(shí)間值；
● 支持導通電阻Rdson的參數設置，影響SOA模板的內阻限定區域；
● 支持連續測試，并統計通過(guò)及失敗的總數次，該模式可用于連續烤機測試；
● 支持觸碰（波形超出安全區域）停止、自動(dòng)截圖、聲音提示操作；
● 安全工作區可通過(guò)電壓、電流、功率限制設定，也可通過(guò)多坐標點(diǎn)自定義設定；
● 安全工作區支持對數坐標和線(xiàn)性坐標顯示。
圖16 示波器SOA實(shí)測
本文轉載自 ZLG立功科技。
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