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美萊特早新聞 功率MOSFET安全工作區(qū)，真的安全嗎？
許多研發(fā)工程師經(jīng)常會使用測量的工作波形來校核功率MOSFET的SOA曲線。例如：做電源的研發(fā)工程師，電源結(jié)構(gòu)為反激或BUCK降壓變換器，測量到功率MOSFET的電壓和電流波形，然后根據(jù)電壓、電流波形和工作的脈寬時間，在SOA曲線中描出對應(yīng)的工作點，來校核工作點是否在SOA曲線的范圍內(nèi)，以此來判斷功率MOSFET的工作是否安全。
事實上，這樣的校核方法并不正確，原因在于對于功率MOSFET的安全工作區(qū)曲線理解的偏差。本文將詳細(xì)的介紹功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全區(qū)的定義，從而讓工程師針對不同的應(yīng)用，使用有效的方法校核其安全。
功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，安全工作區(qū)SOA曲線是正向偏置的安全工作區(qū)SOA曲線，即FBSOA曲。那么，這個安全工作區(qū)SOA曲線是如何定義的呢？
這個曲線必須結(jié)合功率MOSFET的耐壓、電流特性和熱阻特性，來理解功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線。它定義了最大的漏源極電壓值、漏極電流值，以保證器件在正向偏置時安全的工作，如圖1所示。數(shù)據(jù)表中，功率MOSFET安全工作區(qū)SOA曲線有4條邊界，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(dǎo)通電阻RDS(ON)限制。因為在一定的VGS的電壓下，功率MOSFET都有一個確定的RDS(ON)，因此：
VDS=ID·RDS(ON)
這條斜線的斜率就是1/ RDS(ON)。功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，在不同的溫度以及在不同的脈沖電流及脈沖寬度條件下，RDS(ON)的值都會不同，在實際的應(yīng)用過程中，這條曲線的斜率因條件的不同而不同。
（2）安全工作區(qū)SOA曲線最右邊的垂直邊界，是最大的漏源極電壓BVDSS。BVDSS是功率MOSFET數(shù)據(jù)表中所標(biāo)稱的最小值。同樣的，在不同的測試條件下這個值也會不同，特別是采用更高的測試電流IDSS時，名義的標(biāo)稱值就會偏高，而實際的工作范圍就會減小。
（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的限制。這個值是一個測量值，如果使用最小脈沖寬度下的瞬態(tài)熱阻值、最大的RDS(ON)和允許的溫升來計算，所得到最大漏極電流會比IDM更高，因此也就不正確，對于特定范圍的脈沖寬度，最大的脈沖漏極電流就定義為IDM。
（4）安全工作區(qū)SOA曲線右上方平行的一組斜線，是不同的單脈沖寬度下功率損耗的限制。RDS(ON)限制的斜線和最大的脈沖漏極電流IDM有一個交點，在這個交點的右邊，不同的單脈沖寬度下的最大漏源極電流曲線都幾乎工作在線性區(qū)，這一組曲線上的任何一點的電流和電壓值，都是通過瞬態(tài)的熱阻和允許的溫升(功耗)所計算出來的。
其中，TJMax為最高允許工作結(jié)溫，150℃或者175℃，不同的產(chǎn)品定義不同。TC為殼溫，也就是封裝銅襯底溫度，通常是25℃。ZqJC為歸一化瞬態(tài)熱阻，RqJC為熱阻。
功率MOSFET數(shù)據(jù)表中有歸一化瞬態(tài)熱阻曲線，通過上述公式，就可以將不同的單脈沖寬度下，VDS和ID的曲線作出來，因此功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，安全工作區(qū)SOA曲線右上方平行的一組斜線都是計算值。
從上面的論述，功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線都是基于TC=25℃溫度下的計算值，在實際的工作中，功率MOSFET的TC的溫度，也就是器件下面銅皮的溫度，絕對不可能為25℃，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25℃，有些應(yīng)用達到100℃~120℃，一些極端的應(yīng)用甚至?xí)?，這樣數(shù)據(jù)表中的安全工作區(qū)SOA曲線很難對實際的應(yīng)用提供有用的參考價值。使用RJA折算成TA=25℃時的電流和電壓值作出安全工作區(qū)SOA曲線，相對的可以對實際的應(yīng)用提供一些參考。
采用行業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)使用計算的方法所得到的安全工作區(qū)SOA中間的功率曲線，由于大多工作在線性區(qū)，計算過程不可能考慮到功率MOSFET的熱電效應(yīng)。以前，功率MOSFET采用平面的結(jié)構(gòu)，每個單元的間隔大，很少會產(chǎn)生局部的熱集中，基于TA=25℃的SOA曲線和實際的應(yīng)用比較接近，偏差也較小。
由于技術(shù)不斷的進步，目前通常采用溝槽以及隔離柵SGT技術(shù)，單元的密度急劇提高，單元和單元間的間距小，容易相互加熱產(chǎn)生局部的熱集中，導(dǎo)致內(nèi)部的單元不平衡，熱電效應(yīng)的影響明顯的增強，特別是在高壓的時候，內(nèi)部的電場外強度大，進一步增加熱電效應(yīng)。因此，使用線性區(qū)的功率損耗計算的安全工作區(qū)SOA曲線，和實際的應(yīng)用偏差非常大。
對于大多開關(guān)電源和電力電子的應(yīng)用，功率MOSFET工作在高頻的開關(guān)狀態(tài)，完全的導(dǎo)通或截止，米勒電容產(chǎn)生米勒平臺的線性區(qū)，也就是產(chǎn)生開關(guān)損耗的區(qū)間，持續(xù)的時間非常短，通常是幾個或幾十個ns，因此使用測量到的功率MOSFET電壓和電流的波形，在安全工作區(qū)SOA曲線的線性區(qū)描點，來校核功率MOSFET是否安全工作。
這種方法并不正確，特別是在TC=25℃的安全工作區(qū)SOA曲線中進行這樣的校核完全沒有意義。當(dāng)功率MOSFET工作在高頻的開關(guān)狀態(tài)時，計算功率MOSFET的總體損耗，由熱阻來校核結(jié)溫，更有意義一些。
