功率MOSFET安全工作區(qū)，真的安全嗎？

作者/劉松(萬(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件(深圳)有限公司，上海 靜安 200070)

　　摘要：本文論述了功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全工作區(qū)每條曲線的含義，詳細(xì)說(shuō)明最大的脈沖漏極電流的定義。分析了基于環(huán)境溫度、最大允許結(jié)溫和功耗計(jì)算的安全工作區(qū)不能作為實(shí)際應(yīng)用中MOSFET是否安全的標(biāo)準(zhǔn)原因。特別說(shuō)明了功率MOSFET完全工作在線性區(qū)或較長(zhǎng)的時(shí)間工作在線性區(qū)的應(yīng)用中，必須采用實(shí)測(cè)的安全工作區(qū)理由。

　　關(guān)鍵詞：功率MOSFET;安全工作區(qū);線性區(qū);熱電效應(yīng)

　　0 引言

　　許多研發(fā)工程師經(jīng)常會(huì)使用測(cè)量的工作波形來(lái)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(cè)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(shí)間，在SOA曲線中描出對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)，來(lái)校核工作點(diǎn)是否在SOA曲線的范圍內(nèi)，以此來(lái)判斷功率MOSFET的工作是否安全。事實(shí)上，這樣的校核方法并不正確，原因在于對(duì)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(duì)不同的應(yīng)用，使用有效的方法校核其安全。

　　1 功率MOSFET安全工作區(qū)SOA曲線

　　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曲線，那么這個(gè)安全工作區(qū)SOA曲線是如何定義的呢?這個(gè)曲線必須結(jié)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(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(shí)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(shuō)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R_DS(ON)限制。因?yàn)樵谝欢ǖ腣_GS的電壓下，功率MOSFET都有一個(gè)確定的R_DS(ON)，因此：

　　V_DS=I_D·R_DS(ON)

　　這條斜線的斜率就是1/ R_DS(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(huì)不同，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，這條曲線的斜率因條件的不同而不同^[1]。

　　(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BV_DSS。BV_DSS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(cè)試條件下這個(gè)值也會(huì)不同，特別是采用更高的測(cè)試電流I_DSS時(shí)，名義的標(biāo)稱值就會(huì)偏高，而實(shí)際的工作范圍就會(huì)減小^[2]。

　　(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I_DM的限制。這個(gè)值是一個(gè)測(cè)量值，如果使用最小脈沖寬度下的瞬態(tài)熱阻值、最大的R_DS(ON)和允許的溫升來(lái)計(jì)算，所得到最大漏極電流會(huì)比I_DM更高，因此也就不正確，對(duì)于特定范圍的脈沖寬度，最大的脈沖漏極電流就定義為IDM^[3-4]。

　　(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。R_DS(ON)限制的斜線和最大的脈沖漏極電流I_DM有一個(gè)交點(diǎn)，在這個(gè)交點(diǎn)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(diǎn)的電流和電壓值，都是通過(guò)瞬態(tài)的熱阻和允許的溫升(功耗)所計(jì)算出來(lái)的。

　　其中，T_JMax為最高允許工作結(jié)溫，150 ℃或者175 ℃，不同的產(chǎn)品定義不同。T_C為殼溫，也就是封裝銅襯底溫度，通常是25 ℃。Z_qJC為歸一化瞬態(tài)熱阻，R_qJC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(guò)上述公式，就可以將不同的單脈沖寬度下，V_DS和I_D的曲線作出來(lái)，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(jì)算值^[5]。

　　2 功率MOSFET實(shí)際工作條件

　　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(jì)算值，在實(shí)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(duì)不可能為25 ℃，通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于25 ℃，有些應(yīng)用達(dá)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(duì)實(shí)際的應(yīng)用提供有用的參考價(jià)值。使用RJA折算成TA=25 ℃時(shí)的電流和電壓值作出安全工作區(qū)SOA曲線，相對(duì)的可以對(duì)實(shí)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(jì)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(jì)算過(guò)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(gè)單元的間隔大，很少會(huì)產(chǎn)生局部的熱集中，基于T_A=25 ℃的SOA曲線和實(shí)際的應(yīng)用比較接近，偏差也較小。

　　由于技術(shù)不斷的進(jìn)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(qiáng)，特別是在高壓的時(shí)候，內(nèi)部的電場(chǎng)外強(qiáng)度大，進(jìn)一步增加熱電效應(yīng)。因此，使用線性區(qū)的功率損耗計(jì)算的安全工作區(qū)SOA曲線，和實(shí)際的應(yīng)用偏差非常大^[6-7]。

　　對(duì)于大多開(kāi)關(guān)電源和電力電子的應(yīng)用，功率MOSFET工作在高頻的開(kāi)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(tái)的線性區(qū)，也就是產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗的區(qū)間，持續(xù)的時(shí)間非常短，通常是幾個(gè)或幾十個(gè)ns，因此使用測(cè)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(diǎn)，來(lái)校核功率MOSFET是否安全工作，這種方法并不正確，特別是在T_C=25 ℃的安全工作區(qū)SOA曲線中進(jìn)行這樣的校核完全沒(méi)有意義。當(dāng)功率MOSFET工作在高頻的開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，計(jì)算功率MOSFET的總體損耗，由熱阻來(lái)校核結(jié)溫，更有意義一些。

　　3 功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線分析

　　下面分析幾個(gè)SOA曲線數(shù)據(jù)表中的例子，來(lái)進(jìn)一步理解SOA曲線的定義。

　　3.1 AON6590

　　3.1.1 從安全工作區(qū)SOA曲線導(dǎo)通電阻RDS(ON)限制的斜率，來(lái)計(jì)算導(dǎo)通電阻：

　　R_DS(ON) = (0.1-0.03)/(60-20) = 0.00175 Ω

　　在數(shù)據(jù)表1中可以得到T_J=25 ℃時(shí)R_DS(ON)遠(yuǎn)小于安全工作區(qū)SOA曲線的計(jì)算值，因此它的取值應(yīng)該是T_J=150 ℃時(shí)的值。

　　不同的公司在安全工作區(qū)SOA曲線中，導(dǎo)通電阻R_DS(ON)限制的斜線所采用的RDS(ON)的值，有些公司取T_J=25 ℃，有些公司取T_J=150 ℃，有些公司取T_J=175 ℃，而且對(duì)于相應(yīng)的溫度，取典型值還是最大值，也不相同。條件越嚴(yán)格，安全工作區(qū)SOA曲線的范圍就越小。

　　3.1.2 如表2最右邊的垂直邊界是功率MOSFET的額定電壓，這條直線的定義比較簡(jiǎn)單，當(dāng)然當(dāng)測(cè)試條件不同時(shí)，額定電壓的值也會(huì)不同。

　　3.1.3 最上面的電流水平線，由最大的脈沖漏極電流I_DM限制，安全工作區(qū)SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為400 A，基于T_C=25 ℃。

　　最低DC的電流水平線，SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為100 A，基于T_C=25 ℃。右上方平行的斜線組，列出了DC、不同的單脈沖寬度下，10 ms、1 ms、100 μs、10 μs的計(jì)算值斜線。

　　基于最高的結(jié)溫的允許溫升、熱阻或瞬態(tài)熱阻，那么最高的允許的功率就可以確定，對(duì)于一個(gè)確定的電壓V_DS，就可以計(jì)算相應(yīng)的電流I_D，這些斜線組相當(dāng)于在T_C=25 ℃時(shí)，工作在線性區(qū)的功率限制的計(jì)算值。

　　3.2 IPB117N20NFD

　　如圖3為IPB117N20NFD的安全工作區(qū)SOA曲線。

　　3.2.1 從安全工作區(qū)SOA曲線導(dǎo)通電阻R_DS(ON)限制的斜率，來(lái)計(jì)算導(dǎo)通電阻：

　　R_DS(ON) = (1-0.1)/(30-3) = 0.033 Ω

　　3.2.2 如表3最右邊的垂直邊界是功率MOSFET的額定電壓200 V。

　　(3)如表4最上面的電流水平線，由最大的脈沖漏極電流IDM限制，安全工作區(qū)SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為336 A，基于T_C=25 ℃。

　　最低DC的電流水平線，安全工作區(qū)SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為84 A，基于T_C=25 ℃。右上方平行的斜線組，列出了DC、不同的單脈沖寬度下，10 ms、1 ms、100 μs、10 μs、1 μs的計(jì)算值斜線。

　　4 實(shí)測(cè)功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線

　　一些應(yīng)用中，功率MOSFET完全工作在線性區(qū)或較長(zhǎng)的時(shí)間工作在線性區(qū)，那么，為了保證功率MOSFET的可靠性，就要測(cè)量真正的安全工作區(qū)SOA曲線，以避免熱電效應(yīng)所產(chǎn)生的破壞。設(shè)計(jì)的時(shí)候，要保證有一定的裕量，從而保證系統(tǒng)的安全，如圖4所示的IRFB4410的SOA曲線。

　　負(fù)載開(kāi)關(guān)及熱插拔較長(zhǎng)時(shí)間工作在導(dǎo)通電阻的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，分立MOSFET組成的LDO一直工作在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，也就是上面所謂的線性區(qū)，這二種應(yīng)用設(shè)計(jì)要特別小心^[6-7]。

　　5 結(jié)論

　　(1)功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全工作區(qū)的電壓、電流的限制邊界基于一定的測(cè)試條件，當(dāng)測(cè)試條件改變時(shí)，其范圍也不相同。

　　(2)功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全工作區(qū)是基于T_C=25 ℃溫度下的計(jì)算值，和實(shí)際的工作條件相差太大，因此不能作為校核其是否工作安全的標(biāo)準(zhǔn)。

　　(3)功率MOSFET的安全工作區(qū)的線性區(qū)沒(méi)有考慮熱電效應(yīng)，不能采用數(shù)據(jù)表中計(jì)算的安全工作區(qū)來(lái)校核其是否工作安全，因此在線性區(qū)的工作條件下要采用實(shí)測(cè)的安全工作區(qū)曲線。

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　　作者簡(jiǎn)介：

　　劉松，碩士，現(xiàn)任職于萬(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件(深圳)有限公司應(yīng)用總監(jiān)，主要研究方向：開(kāi)關(guān)電源、電力電子以及功率元件的應(yīng)用和研究工作，曾獲得廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，在各類學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文60多篇。

本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第3期第45頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處