功率器件安全工作區(qū)的畫法

功率器件的安全工作區(qū)

★功率器件一定要工作在安全工作區(qū)，否則在工作中一定會(huì)出現(xiàn)問題，那么安全工作區(qū)（SOA:SafeOperationArea)是如何確定的呢？★本文參考了網(wǎng)絡(luò)的一些信息，但是信息比較亂，基本上沒有系統(tǒng)地講明白，所以本文想盡量把SOA講明白?！颯OA是功率器件工作時(shí)的“戒律清規(guī)”，違反了戒律清規(guī)就會(huì)出問題！安全工作區(qū)實(shí)例●圖1是我司代理的西安龍騰650V/30mR高壓超節(jié)MOSFET的安全工作區(qū)曲線（SOA）●我是老張的御用小魔仙●圖1是怎么畫出來的呢？●老張若理解錯(cuò)了，還請(qǐng)龍騰的弟兄糾正！SOA的框架分析●SOA的整個(gè)外框架由線段AB,BC,CD,DE及橫豎坐標(biāo)軸組成。圖2

★這些線段包圍的區(qū)域即為安全工作區(qū)SOA，功率器件的參數(shù)必須工作在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，否則要出問題！確定外框架之AB段●AB段是又功率器件的Idm和Rds(on)共同決定的，參數(shù)見圖3，圖4，圖5。圖3Idm=300A●Tj=25攝氏度時(shí)，即常溫下為內(nèi)阻最大值為0.03歐姆?！馮j=150度時(shí)，即最大節(jié)溫下內(nèi)阻為0.07歐姆。圖4●圖4中廠家給出了最大節(jié)溫時(shí)的內(nèi)阻，很多廠家沒有給出這個(gè)值，那又怎么辦呢？圖5●圖5是內(nèi)阻隨節(jié)溫變化的曲線?！裨诠?jié)溫150度時(shí)，內(nèi)阻系數(shù)為2.38?！馮j=150度時(shí)，內(nèi)阻=0.03x2.38=0.71。●說了那么多，從圖3，圖4，圖5，我們得出如下信息：

?Idm=300A

?Rds(on)=0.07歐姆@Tj(max)=150度。●于是我們進(jìn)行如下操作：

（一）計(jì)算B點(diǎn)坐標(biāo)

300x0.07=21V

即B點(diǎn)坐標(biāo)為(21,300)（式1）

(二）計(jì)算A點(diǎn)坐標(biāo)

我們假設(shè)一個(gè)很小的電壓，比如Vds=1V。

1/0.07=14.3A

即A點(diǎn)坐標(biāo)為（1,14.3）（式2）圖6根據(jù)(式1)和(式2)，紅色的AB段就確定啦啦啦！即由內(nèi)阻決定的SOA部分就確定啦！如何確定BC和DE段？★BC段和Idm相關(guān)，DE段和Vdss相關(guān),Idm和BVdss的具體數(shù)值參考圖7圖7圖8★以B點(diǎn)為起點(diǎn)，平行于橫軸畫一條射線。★以E點(diǎn)（650，0.1)為起點(diǎn)，平行于縱軸畫一條射線?！锸Ｏ碌氖虑榫褪谴_定C點(diǎn)和D點(diǎn)的坐標(biāo)啦！功率器件的熱阻曲線圖9★功率器件的性能很大程度取決于溫升，在同等散熱條件下，溫升取決于熱阻！功率器件的節(jié)溫和熱阻圖10總耗散功率★Ptot:總耗散功率★Ptot(Tc=25)=(Tjmax-Tc)/Rthjz(式3)★Rthjz=Rthjcx熱阻系數(shù)(式4)★Tjmax就是器件的最高工作節(jié)溫，Tc指的是器件的殼溫，在這里Tjmax=150,Tc=25,即假設(shè)殼溫處于常溫條件下。熱阻系數(shù)圖11★由圖1可知，CD段是在10uS的單脈沖條件下確定的?！飶臋M軸上10uS(1E-5）處平行于縱軸畫射線和單脈沖曲線相交于F點(diǎn)，F(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)為（

1E-5，0.0056）計(jì)算總耗散功率★根據(jù)式(4):Rthjz=Rthjcx熱阻系數(shù)

=0.17x0.0056=0.000952攝氏度/W★根據(jù)式(3):Ptot(Tc=25)=

(Tjmax-Tc)/Rthjz

=

(150-25)/0.000952=131302W計(jì)算C,D點(diǎn)坐標(biāo)★計(jì)算D點(diǎn)坐標(biāo)：VdssxId=Ptot650xId=131302Id=202(A)即D點(diǎn)坐標(biāo)為(650,202)★計(jì)算C點(diǎn)坐標(biāo)VdssxId=PtotVdssx300=131302

Vdss=438(V)即C點(diǎn)坐標(biāo)為(438,300)完成CD段邊界★把C，D坐標(biāo)代入，連接C，D兩點(diǎn)，SOA圖的外圍框架就大功告成啦?。。　锛赐瓿闪薃B，BC，CD，DE段?！锛丛?0uS單脈沖及Tc=25的條件下，功率器件應(yīng)工作在A，B，C，D，E確定的區(qū)域內(nèi)。再次提出問題圖12圖中GH線段（單脈沖寬度為100uS）是如何確定的呢？？？讓我們?cè)俅谓柚鸁嶙枨€★我們依葫蘆畫瓢，從橫軸(1E-4)處平行于縱軸畫射線和單脈沖曲線相交于K點(diǎn)?！飶腒點(diǎn)平行于橫軸畫射線和縱軸相交。★從熱阻曲線可以讀出k點(diǎn)坐標(biāo)為(1E-4,0.042)圖13讓我們?cè)俅斡?jì)算Ptot★根據(jù)式(4):Rthjz=Rthjcx熱阻系數(shù)

=0.17x0.042=0.00714攝氏度/W★根據(jù)式(3):Ptot(Tc=25)=

(Tjmax-Tc)/Rthjz

=

(150-25)/0.00714=17507W計(jì)算G,H點(diǎn)坐標(biāo)★計(jì)算H點(diǎn)坐標(biāo)：VdssxId=Ptot650xId=17507Id=27(A)即H點(diǎn)坐標(biāo)為(650,27)★計(jì)算G點(diǎn)坐標(biāo)VdssxId=PtotVdssx300=17507

Vdss=58(V)即G點(diǎn)坐標(biāo)為(58,300)SOA區(qū)域的改變?cè)赥c=25攝氏度，單脈沖為100uS條件下：SOA區(qū)域改變?yōu)锳，B，G，H，E決定的區(qū)域！圖14再次提出問題★通常情況下，功率器件在工作時(shí)其外殼溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Tc=25攝氏度的常溫，假如在Tc=100攝氏度的時(shí)候如何畫SOA呢???變量與不變量●在溫升改變的時(shí)候：★Rds(on)最大值不會(huì)改變★Vdss不會(huì)改變★Idm不會(huì)改變★Ptot會(huì)改變

Ptot隨溫升改變★殼溫Tc下，Ptot(Tc)滿足：

式(5)★我們知道，Tc=25攝氏度且單脈沖為100uS時(shí)，Ptot=17507W★那么Tc=100攝氏度時(shí)：Ptot=17507x[(150-100)/(150-25)]Ptot=7003WTc=100,單脈沖為100uS的SOA●假設(shè)新的線段為MN★計(jì)算N點(diǎn)坐標(biāo)：VdssxId=Ptot650xId=7003

Id=10.8(A)即N點(diǎn)坐標(biāo)為(650,10.8)★計(jì)算M點(diǎn)坐標(biāo)VdssxId=PtotVdssx300=7003

Vdss=24(V)即M點(diǎn)坐標(biāo)為(24,300)圖15★Tc=100攝氏度★單脈沖為100uS。★SOA區(qū)域由A，B，M，N，E確定。繼續(xù)提出問題★連續(xù)電流條件下，即直流條件下

怎么確定SOA？圖16連續(xù)電流的SOA圖17★圖17中，線段PQ就是連續(xù)電流（直流）條件下的SOA邊界線?！镞B續(xù)電流條件下，我們可以認(rèn)為脈沖占空比為1，將熱阻系數(shù)也看作1?！飶囊?guī)格書上可以知道，Tc=25攝氏度時(shí)，Id=100A,見圖16?！锞€段PQ是怎么畫出來的呢？

連續(xù)電流條件下的Ptot★根據(jù)式（4），式（3），式（5）：?Rthjz=Rthjcx熱阻系數(shù)

Rthjz=0.17x1?Ptot(Tc=25)=(Tjmax-Tc)/Rthjz

Ptot(Tc=25)=(150-25)/0.17

Ptot(Tc=25)=735W★“735”這個(gè)數(shù)字似曾相識(shí)？★見圖16★此時(shí)Ptot=Pd計(jì)算線段的兩個(gè)端點(diǎn)★假設(shè)線段的兩個(gè)端點(diǎn)為P,Q.?計(jì)算Q點(diǎn)坐標(biāo)：

650xId=735

Id=1.13A

即Q點(diǎn)坐標(biāo)為(650,1.13)?計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo):

Vdssx100=735

Vdss=7.35V

即P點(diǎn)坐標(biāo)為(7.35,100)

畫出直流條件下的SOA圖18★如圖18★由藍(lán)色線段及紅色線段圍成的區(qū)域就是直流條件（Tc=25攝氏度）下的SOA啦！說說其它★器件如果沒有工作于SOA，并不意味著不能工作或者損壞。但是長(zhǎng)時(shí)間工作于SOA區(qū)域外，肯定意味著失效的風(fēng)險(xiǎn)，所以選型及設(shè)計(jì)的