Comprensión del área de operación segura de MOSFET o SOA

Si se pregunta o le preocupa exactamente cuánta potencia puede tolerar su MOSFET en condiciones extremas, o en situaciones de disipación extrema, entonces las cifras SOA del dispositivo son exactamente lo que debe estar mirando.

En esta publicación, discutiremos exhaustivamente el Área de operación segura, o SOA, como se muestra en la hoja de datos del MOSFET.

El siguiente es el área de operación segura del MOSFET o el gráfico SOA que normalmente se ve en todos Instrumentos Texas hojas de datos.

MOSFET SOA se describe como la magnitud que especifica la potencia máxima que el FET puede manejar mientras está operando en la región de saturación.

La vista ampliada del gráfico SOA se puede ver en la siguiente imagen a continuación.

En el gráfico SOA anterior podemos ver todas estas limitaciones y límites. Y más profundamente en el gráfico encontramos limitaciones adicionales para muchas duraciones de pulso individuales diferentes. Y estas líneas dentro del gráfico podrían determinarse mediante cálculos o mediciones físicas.

En hojas de datos anteriores y anteriores, estos parámetros se estimaron con valores calculados.

Sin embargo, normalmente se recomienda que estos parámetros se midan prácticamente. Si los evalúa utilizando fórmulas, podría terminar obteniendo valores hipotéticos que pueden ser literalmente mucho más grandes de lo que el FET puede tolerar en una aplicación del mundo real. O tal vez puede reducir (compensar en exceso) los parámetros a un nivel que puede ser demasiado moderado, en relación con lo que el FET realmente puede manejar.

Entonces, en nuestras siguientes discusiones aprendemos los parámetros SOA que se evalúan a través de métodos prácticos reales y no mediante fórmulas o simulaciones.

Comencemos por comprender qué es el modo de saturación y el modo lineal en los FET.

Modo lineal vs modo de saturación

Con referencia al gráfico anterior, el modo lineal se define como la región en la que el RDS (activado) o la resistencia de la fuente de drenaje del FET es consistente.

Esto significa que la corriente que pasa a través del FET es directamente proporcional al sesgo de drenaje a fuente a través del FET. También se conoce a menudo como la región óhmica, ya que el FET actúa esencialmente de manera similar a una resistencia fija.

Ahora, si comenzamos a aumentar el voltaje de polarización de la fuente de drenaje al FET, finalmente encontramos al FET operando en una región conocida como región de saturación. Una vez que la operación del MOSFET se fuerza a la región de saturación, la corriente (amperios) que se mueve a través del MOSFET a través del drenaje a la fuente ya no responde al aumento de voltaje de polarización del drenaje a la fuente.

Por lo tanto, independientemente de cuánto aumente el voltaje de drenaje, este FET continúa transfiriendo un nivel máximo fijo de corriente a través de él.

La única forma a través de la cual puede manipular la corriente suele ser variando el voltaje de la puerta a la fuente.

Sin embargo, esta situación parece ser un poco desconcertante, ya que estas son generalmente las descripciones de los libros de texto de la región lineal y de saturación. Anteriormente aprendimos que este parámetro a menudo se denomina región óhmica. Sin embargo, algunas personas realmente nombran esto como la región lineal. Quizás, la mentalidad es, bueno, esto parece una línea recta, ¿entonces tiene que ser lineal?

Si observa que la gente está discutiendo aplicaciones de intercambio en caliente, van a expresar, bueno, estoy trabajando en una región lineal. Pero eso esencialmente es tecnológicamente inapropiado.

Entendiendo MOSFET SOA

Ahora que sabemos qué es una región de saturación FET, ahora podemos revisar nuestro gráfico SOA en detalle. La SOA se puede dividir en cinco limitaciones individuales. Aprendamos qué son exactamente.

Limitación de RDS (activado)

La primera línea del gráfico, que es de color gris, representa la limitación de RDS (activado) del FET. Y esta es la región que limita efectivamente la cantidad máxima de corriente a través del FET debido a la resistencia del dispositivo.

En otras palabras, indica la mayor resistencia del MOSFET que puede existir a la temperatura de unión máxima tolerable del MOSFET.

Observamos que esta línea gris tiene una pendiente positiva constante de unidad, simplemente porque cada punto dentro de esta línea posee una cantidad idéntica de resistencia ON, de acuerdo con la ley de Ohm, que establece que R es igual a V dividido por I.

Limitación actual

La siguiente línea de limitación en el gráfico SOA representa la limitación actual. Arriba en el gráfico, se pueden ver los diferentes valores de pulso indicados por las líneas azul, verde, violeta, limitados a 400 amperios por la línea negra horizontal superior.

La sección horizontal corta de la línea ROJA indica el límite de paquete del dispositivo, o el límite de corriente continua (CC) del FET, alrededor de 200 amperios.

Limitación de potencia máxima

La tercera limitación de SOA es la línea de limitación de potencia máxima del MOSFET, representada por la línea naranja inclinada.

Como notamos, esta línea tiene una pendiente constante pero negativa. Es constante ya que cada punto en esta línea de límite de potencia SOA lleva la misma potencia constante, representada por la fórmula P = IV.

Por lo tanto, en esta curva logarítmica SOA, esto genera una pendiente de -1. El signo negativo se debe al hecho de que el flujo de corriente a través del MOSFET aquí disminuye a medida que aumenta el voltaje de la fuente de drenaje.

Este fenómeno se debe principalmente a las características de coeficiente negativo del MOSFET que restringe la corriente a través del dispositivo a medida que aumenta la temperatura de unión.

Limitación de la inestabilidad térmica

A continuación, la cuarta limitación del MOSFET en su área de operación segura se indica con la línea inclinada amarilla, que representa la limitación de inestabilidad térmica.

Es en esta región de la SOA que se vuelve realmente crucial para medir realmente la capacidad operativa del dispositivo. Esto se debe a que esta región de inestabilidad térmica no se puede predecir por ningún medio adecuado.

Por lo tanto, prácticamente necesitamos analizar el MOSFET en esta área para averiguar dónde puede fallar el FET y cuál es exactamente la capacidad de trabajo del dispositivo específico.

Por lo tanto, podemos ver ahora mismo, si tomáramos esta limitación de potencia máxima y la extendiéramos hasta el final de la línea amarilla, entonces, de repente, ¿qué encontramos?

Encontramos que la limitación de falla del MOSFET aterriza en un nivel muy bajo, que tiene un valor mucho menor en comparación con la región de limitación de potencia máxima promovida en la hoja de datos (representada por la pendiente naranja).

O supongamos que somos demasiado conservadores y le decimos a la gente que, miren, la región inferior de la línea amarilla es en realidad lo que el FET puede manejar al máximo. Bueno, podemos estar en el lado más seguro con esta declaración, pero entonces podríamos haber compensado en exceso la capacidad de limitación de energía del dispositivo, lo que puede no ser razonable, ¿verdad?

Esa es exactamente la razón por la que esta región de inestabilidad térmica no se puede determinar ni reclamar con fórmulas, sino que debe probarse realmente.

Limitación de voltaje de ruptura

La quinta región de limitación en el gráfico SOA es la limitación de voltaje de ruptura, representada por la línea vertical negra. Que es simplemente la capacidad máxima de manejo de voltaje de la fuente de drenaje del FET.

Según el gráfico, el dispositivo cuenta con un BVDSS de 100 voltios, lo que explica por qué esta línea vertical negra se aplica a la marca de fuente de drenaje de 100 voltios.

Sería interesante investigar un poco más la noción anterior de inestabilidad térmica. Para lograr esto, necesitaremos delinear una frase conocida como 'coeficiente de temperatura'.

Coeficiente de temperatura MOSFET

El coeficiente de temperatura del MOSFET se puede definir como el cambio en la corriente sobre el cambio en la temperatura de unión del MOSFET.

Tc = ∂ID / ∂Tj

Por lo tanto, cuando examinamos la curva de características de transferencia de un MOSFET en su hoja de datos, encontramos la corriente de drenaje a fuente del FET versus el voltaje creciente de puerta a fuente del FET, también encontramos que esta característica se evalúa en 3 diferentes rangos de temperatura.

Coeficiente de temperatura cero (ZTC)

Si miramos el punto representado con el círculo naranja, esto es lo que indicaríamos como coeficiente de temperatura cero del MOSFET .

En este punto, incluso si la temperatura de unión del dispositivo sigue aumentando, no se produce ninguna mejora en la transferencia de corriente a través del FET.

∂I_D/ ∂T_j = 0 , dónde I_D es la corriente de drenaje del MOSFET, T_j representa la temperatura de unión del dispositivo

Si miramos la región sobre este coeficiente de temperatura cero (círculo naranja), a medida que pasamos de los -55 grados Celsius negativos a los 125 grados Celsius, la corriente a través del FET en realidad comienza a caer.

∂I_D/ ∂T_j <0

Esta situación es indicativa de que el MOSFET realmente se está calentando, pero la potencia disipada a través del dispositivo está disminuyendo. Esto implica que en realidad no hay peligro de inestabilidad para el dispositivo, y el sobrecalentamiento del dispositivo puede ser permisible y, a diferencia de los BJT, posiblemente no haya riesgo de una situación de fuga térmica.

Sin embargo, en corrientes en la región por debajo del coeficiente de temperatura cero (círculo naranja), notamos la tendencia, donde un aumento en la temperatura del dispositivo, es decir, a través de los -55 a 125 grados negativos, causa la capacidad de transferencia de corriente de el dispositivo realmente aumente.

∂I_D/ ∂T_j > 0

Esto sucede debido al hecho de que el coeficiente de temperatura del MOSFET es en estos puntos superior a cero. Pero, por otro lado, un aumento en la corriente a través del MOSFET, causa un aumento proporcional en el RDS (encendido) del MOSFET (resistencia de la fuente de drenaje) y también causa un aumento proporcional en la temperatura corporal del dispositivo de forma progresiva, lo que lleva a más corriente. transferir a través del dispositivo. Cuando el MOSFET entra en esta región de un circuito de retroalimentación positiva, puede desarrollar una inestabilidad en el comportamiento del MOSFET.

Sin embargo, nadie puede decir si la situación anterior podría ocurrir o no, y no hay un diseño fácil para pronosticar cuándo podría surgir este tipo de inestabilidad dentro del MOSFET.

Esto se debe a que puede haber muchos parámetros involucrados con el MOSFET dependiendo de su estructura de densidad celular en sí, o la flexibilidad del paquete para disipar el calor de manera uniforme en todo el cuerpo del MOSFET.

Debido a estas incertidumbres, factores como la fuga térmica o cualquier inestabilidad térmica en las regiones indicadas deben confirmarse para cada MOSFET en particular. No, estos atributos del MOSFET no se pueden adivinar simplemente aplicando la ecuación de pérdida de potencia máxima.

Por qué SOA es tan crucial

Las cifras de SOA pueden ser de gran utilidad en aplicaciones MOSFET donde el dispositivo se opera con frecuencia en las regiones de saturación.

También es útil en intercambio en caliente o las aplicaciones de controlador Oring, donde se vuelve crucial saber exactamente cuánta potencia podrá tolerar el MOSFET, consultando sus gráficos SOA.

Prácticamente, encontrará que los valores del área de operación segura de MOSFET tienden a ser muy útiles para la mayoría de los consumidores que se ocupan del control de motores, inversores / convertidores o productos SMPS, donde el dispositivo generalmente se opera en condiciones extremas de temperatura o sobrecarga.

Fuentes: Entrenamiento MOSFET , Área de operación segura