功率MOS在使用過(guò)程中是否能夠安全持續的工作,是設計者必須要考慮的問(wèn)題,設計者在應用MOS時(shí),必須考慮MOS的SOA區間,我們知道開(kāi)關(guān)電源中的MOS長(cháng)期工作在高電流高電壓下,很容易出現過(guò)熱燒毀的情況,如果散熱不及時(shí)的話(huà),很容易發(fā)生爆炸。
那什么是MOS的安全工作區域呢?我們稱(chēng)為SOA (Safe operating area)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。結合功率MOSFET的耐壓、電流特性和熱阻特性,來(lái)理解功率MOSFET的安全工作區SOA曲線(xiàn)。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(shí)安全的工作。
如下圖,SOA曲線(xiàn)左上方的邊界斜線(xiàn),受漏源極的導通電阻RDS(ON)限制;SOA曲線(xiàn)右邊垂直的邊界,是最大的漏源極電壓BVDSS;SOA曲線(xiàn)最上面水平線(xiàn),由最大的脈沖漏極電流IDM的限制,右上方平行的一組斜線(xiàn),是不同的單脈沖寬度下的最大漏源極電流。

①藍色:在VDS電壓比較小時(shí),ID通過(guò)的電流大小主要由MOS管的RSDS(on)來(lái)進(jìn)行限制。在該區域內,當VGS電壓與環(huán)境溫度條件不變時(shí)時(shí),我們近似把RDSON看似一個(gè)定值,由此得出VDS= ID · RDS(ON)。
②黃色:在VDS升高到一定的值以后,MOS的安全區域主要由MOS的熱阻相關(guān)也就是耗散功率來(lái)進(jìn)行限制,而DC曲線(xiàn)則表示當流過(guò)電流為連續的直流電流時(shí),MOSFET可以耐受的電流能力。其它標示著(zhù)時(shí)間的曲線(xiàn)則表示MOSFET可以耐受的單個(gè)脈沖電流(寬度為標示時(shí)間)的能力。單次脈沖是指單個(gè)非重復(單個(gè)周期)脈沖,單脈沖測試的是管子瞬間耐受耗散功率(雪崩能量)的能力,從這部分曲線(xiàn)來(lái)看,時(shí)間越短,可以承受的瞬間耗散功率就越大。
③紅色:MOS管所能承受的最大脈沖漏級電流,也是對最大耗散功率進(jìn)行了限制。
④綠色:MOS管所能承受的VDS最大電壓,如果VDS電壓過(guò)高,PN結會(huì )發(fā)生反偏雪崩擊穿,造成MOS管損壞。
在實(shí)際的應用中,必須確保MOS管工作在SOA區域以?xún),超出限制區域會(huì )造成電子元器件的損壞,不僅要考慮正常工作狀態(tài)下的功率能不能滿(mǎn)足設計要求,還要特別考慮容性負載的情況下,開(kāi)關(guān)接通瞬間會(huì )有一個(gè)大電流存在,這個(gè)時(shí)候就要考慮MOS的抗脈沖電流參數了。
以上圖中的SOA安全區域是在一定的特定條件下的要求,在實(shí)際的應用中,環(huán)境溫度會(huì )發(fā)生變化,也就是MOS的TJ溫度發(fā)生變化,安全區域也會(huì )隨之發(fā)生變化,所以在實(shí)際的應用中一定要考慮對SOA區域進(jìn)行降額使用,保證MOS完全工作在合理的安全的工作區間內。
如下圖所示:在溫度升高之后,MOS所能承受的功率一定會(huì )被降額,當溫度升高到100攝氏度的時(shí)候,功率降低為原來(lái)的50%左右。同樣,RDSON 以及VDS最高電壓,ID max電流全部受到溫度的影響。

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