Se você está se perguntando ou preocupado com a quantidade exata de energia que seu MOSFET pode tolerar em condições extremas ou em situações extremas de dissipação, os números SOA do dispositivo são exatamente o que você deve observar.
Neste post, discutiremos de forma abrangente a Área Operacional Segura, ou SOA, como aparece na folha de dados do MOSFET.
A seguir está a área de operação segura MOSFET ou o gráfico SOA que normalmente é visto em todos os Instrumentos Texas folhas de dados.
MOSFET SOA é descrito como a magnitude que especifica a potência máxima que o FET pode suportar enquanto está operando na região de saturação.
O vislumbre ampliado do gráfico SOA pode ser visto na próxima imagem abaixo.
No gráfico SOA acima podemos ver todas essas limitações e limites. E mais profundamente no gráfico, encontramos limitações adicionais para muitas durações de pulso individuais diferentes. E essas linhas dentro do gráfico, podem ser determinadas através de cálculos ou medidas físicas.
Em datasheets anteriores e mais antigos, esses parâmetros foram estimados com valores calculados.
No entanto, normalmente é recomendado que esses parâmetros sejam medidos de forma prática. Se você avaliá-los usando fórmulas, pode acabar obtendo valores hipotéticos que podem ser literalmente muito maiores do que o FET pode tolerar na aplicação do mundo real. Ou talvez você possa reduzir (supercompensar) os parâmetros para um nível que pode ser muito moderado, em relação ao que o FET pode realmente lidar.
Assim, em nossas discussões a seguir, aprendemos os parâmetros SOA que são avaliados através de métodos práticos reais e não por fórmulas ou simulações.
Vamos começar entendendo o que é modo de saturação e modo linear em FETs.
Modo Linear vs Modo de Saturação
Com referência ao gráfico acima, o modo linear é definido como a região na qual o RDS(on) ou a resistência da fonte de dreno do FET é consistente.
Isso significa que a corrente que passa pelo FET é diretamente proporcional à polarização do dreno para a fonte através do FET. Também é conhecida como região ôhmica, uma vez que o FET atua essencialmente de maneira semelhante a um resistor fixo.
Agora, se começarmos a aumentar a tensão de polarização dreno-fonte para o FET, eventualmente encontraremos o FET operando em uma região conhecida como região de saturação. Uma vez que a operação do MOSFET é forçada na região de saturação, a corrente (ampères) que se move através do MOSFET através do dreno para a fonte não responde mais ao aumento da tensão de polarização do dreno para a fonte.
Portanto, independentemente de quanto você aumenta a tensão de dreno, este FET continua a transferir um nível máximo fixo de corrente através dele.
A única maneira pela qual você é capaz de manipular a corrente é geralmente variando a tensão porta-fonte.
No entanto, esta situação parece ser um pouco intrigante, uma vez que estas são geralmente as descrições de seus livros sobre regiões lineares e de saturação. Anteriormente, aprendemos que esse parâmetro é frequentemente chamado de região ôhmica. No entanto, algumas pessoas realmente nomeiam isso como a região linear. Talvez, a mentalidade seja, bem, isso parece uma linha reta, então tem que ser linear?
Se você notar pessoas discutindo aplicações hot-swap, elas vão expressar, bem, estou trabalhando em uma região linear. Mas isso é essencialmente tecnologicamente inapropriado.
Entendendo o MOSFET SOA
Agora que sabemos o que é uma região de saturação FET, agora podemos revisar nosso gráfico SOA em detalhes. A SOA pode ser dividida em 5 limitações individuais. Vamos aprender o que exatamente eles são.
Limitação RDS(on)
A primeira linha no gráfico que é de cor cinza, representa a limitação RDS(on) do FET. E esta é a região que efetivamente limita a quantidade máxima de corrente através do FET devido à resistência do dispositivo.
Em outras palavras, indica a maior resistência do MOSFET que pode existir na temperatura máxima tolerável da junção do MOSFET.
Observamos que esta linha cinza tem uma inclinação positiva constante de unidade, simplesmente porque cada ponto dentro desta linha possui uma quantidade idêntica de resistência ON, de acordo com a lei de Ohm, que afirma que R é igual a V dividido por I.
Limitação atual
A próxima linha de limitação no gráfico SOA representa a limitação atual. Acima no gráfico, os diferentes valores de pulso indicados pelas linhas azul, verde e violeta podem ser vistos, limitados a 400 amperes pela linha preta horizontal superior.
A curta seção horizontal da linha VERMELHA indica o limite de pacote do dispositivo, ou o limite de corrente contínua (CC) do FET, em torno de 200 amperes.
Limitação Máxima de Potência
A terceira limitação SOA é a linha de limitação de potência máxima do MOSFET, representada pela linha inclinada laranja.
Como notamos, esta linha tem uma inclinação constante, mas negativa. É constante, pois cada ponto dessa linha de limite de potência SOA carrega a mesma potência constante, representada pela fórmula P = IV.
Portanto, nesta curva logarítmica SOA, isso gera uma inclinação de -1. O sinal negativo é devido ao fato de que o fluxo de corrente através do MOSFET aqui diminui à medida que a tensão dreno-fonte aumenta.
Este fenômeno é principalmente devido às características de coeficiente negativo do MOSFET que restringe a corrente através do dispositivo à medida que sua temperatura de junção aumenta.
Limitação de instabilidade térmica
Em seguida, a quarta limitação do MOSFET em sua área de operação segura é indicada pela linha inclinada amarela, que representa a limitação de instabilidade térmica.
É nessa região da SOA que se torna realmente crucial medir a capacidade operacional do dispositivo. Isso ocorre porque essa região de instabilidade térmica não pode ser prevista por nenhum meio adequado.
Portanto, praticamente precisamos analisar o MOSFET nesta área para descobrir onde o FET pode falhar e exatamente qual é a capacidade de trabalho do dispositivo específico?
Assim, podemos ver agora, se pegarmos essa limitação de potência máxima e a estendermos até a parte inferior da linha amarela, então, de repente, o que encontraremos?
Descobrimos que a limitação de falha do MOSFET atinge o nível muito baixo, que é muito menor em valor em comparação com a região de limitação de potência máxima promovida na folha de dados (representada pela inclinação laranja).
Ou suponha que sejamos muito conservadores e digamos às pessoas que, vejam, a região inferior da linha amarela é realmente o que o FET pode manipular no máximo. Bem, podemos estar no lado mais seguro com esta declaração, mas podemos ter compensado a capacidade de limitação de energia do dispositivo, o que pode não ser razoável, certo?
É exatamente por isso que essa região de instabilidade térmica não pode ser determinada ou reivindicada com fórmulas, mas deve ser realmente testada.
Limitação de tensão de ruptura
A quinta região de limitação no gráfico SOA é a limitação da tensão de ruptura, representada pela linha vertical preta. Que é meramente a capacidade máxima de manipulação de tensão da fonte de dreno do FET.
De acordo com o gráfico, o dispositivo possui um BVDSS de 100 volts, o que explica por que essa linha vertical preta é aplicada na marca Drain-Source de 100 volts.
Seria interessante investigar um pouco mais a noção anterior de instabilidade térmica. Para conseguir isso, precisaremos delinear uma frase chamada “coeficiente de temperatura”.
Coeficiente de Temperatura MOSFET
O coeficiente de temperatura do MOSFET pode ser definido como a mudança na corrente sobre a mudança na temperatura da junção do MOSFET.
Tc = ∂ID / ∂Tj
Portanto, quando examinamos a curva de características de transferência de um MOSFET em sua folha de dados, encontramos a corrente dreno-fonte do FET versus o aumento da tensão porta-fonte do FET, também descobrimos que essas características são avaliadas em 3 diferentes faixas de temperatura.
Coeficiente de Temperatura Zero (ZTC)
Se olharmos para o ponto representado com o círculo laranja, isso é o que indicamos como o coeficiente de temperatura zero do MOSFET.
Neste ponto, mesmo que a temperatura de junção do dispositivo continue aumentando, não produz melhoria na transferência de corrente através do FET.
∂ID / ∂Tj = 0Onde euD é a corrente de dreno do MOSFET, Tj representa a temperatura de junção do dispositivo
Se olharmos para a região sobre este coeficiente de temperatura zero (círculo laranja), à medida que nos movemos do negativo -55 para 125 graus Celsius, a corrente através do FET começa a cair.
∂ID / ∂Tj < 0
Esta situação é indicativa de que o MOSFET está realmente ficando mais quente, mas a potência dissipada pelo dispositivo está ficando menor. Isso implica que, na verdade, não há perigo de instabilidade para o dispositivo, e o superaquecimento do dispositivo pode ser permitido e, ao contrário dos BJTs, possivelmente não há risco de uma situação de fuga térmica.
No entanto, em correntes na região abaixo do coeficiente de temperatura zero (círculo laranja), notamos a tendência, onde um aumento na temperatura do dispositivo, ou seja, através dos -55 a 125 graus negativos, faz com que a capacidade de transferência de corrente de que o dispositivo realmente aumente.
∂ID / ∂Tj > 0
Isso acontece devido ao fato de que o coeficiente de temperatura do MOSFET é nesses pontos maior que zero. Mas, por outro lado, um aumento na corrente através do MOSFET, causa um aumento proporcional no RDS(on) do MOSFET (resistência da fonte de dreno) e também causa um aumento proporcional na temperatura corporal do dispositivo progressivamente, levando a mais corrente transferência através do dispositivo. Quando o MOSFET entra nesta região de um feedback positivo, pode desenvolver uma instabilidade no comportamento do MOSFET.
No entanto, ninguém pode dizer se a situação acima pode acontecer ou não, e não há um design fácil para prever quando esse tipo de instabilidade pode surgir dentro do MOSFET.
Isso ocorre porque pode haver muitos parâmetros envolvidos com o MOSFET, dependendo de sua própria estrutura de densidade celular ou da flexibilidade do pacote para dissipar o calor uniformemente por todo o corpo do MOSFET.
Devido a essas incertezas, fatores como fuga térmica ou qualquer instabilidade térmica nas regiões indicadas devem ser confirmados para cada MOSFET em particular. Não, esses atributos do MOSFET não podem ser adivinhados simplesmente aplicando a equação de perda de potência máxima.
Por que SOA é tão crucial
Os números SOA podem ser extremamente úteis em aplicações MOSFET onde o dispositivo é frequentemente operado nas regiões de saturação.
Também é útil em troca a quente ou aplicações do controlador Oring, onde se torna crucial saber exatamente quanta energia o MOSFET será capaz de tolerar, consultando seus gráficos SOA.
Praticamente, você descobrirá que os valores da área de operação segura do MOSFET tendem a ser muito úteis para a maioria dos consumidores que lidam com controle de motor, inversor/conversor ou produtos SMPS, onde o dispositivo geralmente é operado em condições extremas de temperatura ou sobrecarga.
Fontes: Treinamento MOSFET, Área Operacional Segura
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