Nếu bạn đang thắc mắc hoặc lo lắng về chính xác mức điện năng mà MOSFET của bạn có thể chịu đựng trong các điều kiện khắc nghiệt hoặc trong các tình huống tiêu tán cực mạnh, thì số liệu SOA của thiết bị chính xác là những gì bạn nên xem xét.
Trong bài đăng này, chúng ta sẽ thảo luận toàn diện về Khu vực hoạt động an toàn, hoặc SOA, như nó hiển thị trong biểu dữ liệu MOSFET.
Sau đây là vùng hoạt động an toàn MOSFET hoặc biểu đồ SOA thường thấy trong tất cả Texas Instruments bảng dữ liệu.
MOSFET SOA được mô tả là độ lớn chỉ định công suất tối đa mà FET có thể xử lý khi nó hoạt động trong vùng bão hòa.
Có thể thấy cái nhìn thoáng qua về đồ thị SOA được phóng đại trong hình ảnh tiếp theo bên dưới.
Trong biểu đồ SOA ở trên, chúng ta có thể thấy tất cả những giới hạn và ranh giới này. Và sâu hơn nữa trong biểu đồ, chúng tôi tìm thấy các giới hạn bổ sung cho nhiều thời lượng xung riêng lẻ khác nhau. Và những đường này bên trong biểu đồ, có thể được xác định thông qua tính toán hoặc phép đo vật lý.
Trong các biểu dữ liệu cũ hơn và trước đó, các tham số này được ước tính với các giá trị được tính toán.
Tuy nhiên, thông thường khuyến nghị rằng các thông số này được đo thực tế. Nếu bạn đánh giá chúng bằng công thức, bạn có thể nhận được các giá trị giả định có thể lớn hơn nhiều so với FET có thể chịu đựng trong ứng dụng thế giới thực. Hoặc có lẽ bạn có thể giảm (bù đắp quá mức) các thông số đến một mức có thể quá thấp so với những gì FET thực sự có thể giải quyết.
Vì vậy, trong các cuộc thảo luận sau đây của chúng tôi, chúng tôi tìm hiểu các tham số SOA được đánh giá thông qua các phương pháp thực tế thực tế chứ không phải bằng công thức hoặc mô phỏng.
Hãy bắt đầu bằng cách hiểu chế độ bão hòa và chế độ tuyến tính trong FETs là gì.
Chế độ tuyến tính so với Chế độ bão hòa
Đề cập đến đồ thị trên, chế độ tuyến tính, được định nghĩa là vùng, trong đó RDS (bật) hoặc điện trở nguồn xả của FET là nhất quán.
Điều này có nghĩa là, dòng điện đi qua FET tỷ lệ thuận với độ lệch từ nguồn sang nguồn qua FET. Nó cũng thường được gọi là vùng ohmic, vì FET về cơ bản hoạt động tương tự như một điện trở cố định.
Bây giờ, nếu chúng ta bắt đầu tăng điện áp phân cực nguồn cống cho FET, cuối cùng chúng ta thấy FET hoạt động trong một vùng được gọi là vùng bão hòa. Một khi hoạt động MOSFET bị buộc vào vùng bão hòa, dòng điện (amps) di chuyển qua MOSFET qua cống sang nguồn không còn đáp ứng với sự tăng điện áp phân cực từ nguồn sang nguồn.
Do đó, bất kể bạn tăng điện áp xả bao nhiêu, FET này vẫn tiếp tục truyền một mức dòng điện tối đa cố định qua nó.
Cách duy nhất để bạn có thể điều khiển dòng điện thường là thay đổi điện áp cổng nguồn.
Tuy nhiên, tình huống này có vẻ hơi khó hiểu, vì đây thường là những mô tả trong sách giáo khoa của bạn về vùng tuyến tính và bão hòa. Trước đây chúng ta đã biết rằng thông số này thường được gọi là vùng ohmic. Tuy nhiên, một số người thực sự đặt tên cho vùng này là vùng tuyến tính. Có lẽ, tư duy là, tốt, điều này trông giống như một đường thẳng, vì vậy nó phải là tuyến tính?
Nếu bạn nhận thấy những người đang thảo luận về các ứng dụng hoán đổi nóng, họ sẽ bày tỏ rằng, tôi đang làm việc trong một khu vực tuyến tính. Nhưng điều đó về cơ bản là không phù hợp về mặt công nghệ.
Hiểu về MOSFET SOA
Bây giờ vì chúng ta biết vùng bão hòa FET là gì, chúng ta có thể xem lại đồ thị SOA một cách chi tiết. SOA có thể được chia thành 5 giới hạn riêng lẻ. Hãy tìm hiểu chính xác chúng là gì.
Giới hạn RDS (bật)
Dòng đầu tiên trong biểu đồ có màu xám, thể hiện giới hạn RDS (bật) của FET. Và đây là vùng có hiệu quả giới hạn lượng dòng điện tối đa qua FET dựa trên điện trở của thiết bị.
Nói cách khác, nó cho biết điện trở cao nhất của MOSFET có thể tồn tại ở nhiệt độ tiếp giáp tối đa có thể chịu được của MOSFET.
Chúng ta quan sát thấy rằng đường màu xám này có hệ số hợp nhất không đổi dương, đơn giản bởi vì mỗi điểm trong đường này sở hữu một lượng điện trở ON giống hệt nhau, theo định luật Ohm, trong đó R bằng V chia cho I.
Giới hạn hiện tại
Dòng giới hạn tiếp theo trong biểu đồ SOA thể hiện giới hạn hiện tại. Trên biểu đồ, có thể thấy các giá trị xung khác nhau được biểu thị bằng các đường màu xanh lam, xanh lục, tím, giới hạn ở 400 amps bởi đường màu đen nằm ngang phía trên.
Phần ngang ngắn của đường RED cho biết giới hạn gói của thiết bị, hoặc giới hạn dòng điện liên tục (DC) của FET, ở khoảng 200 amps.
Giới hạn công suất tối đa
Giới hạn SOA thứ ba là đường giới hạn công suất tối đa của MOSFET, được biểu diễn bằng đường dốc màu cam.
Như chúng ta nhận thấy, đường này có độ dốc không đổi nhưng có độ dốc âm. Nó không đổi vì mọi điểm trên đường giới hạn công suất SOA này mang cùng một công suất không đổi, được biểu diễn bằng công thức P = IV.
Do đó, trong đường cong logarit SOA này, điều này tạo ra hệ số góc -1. Dấu hiệu tiêu cực là do dòng điện chạy qua MOSFET ở đây giảm khi điện áp nguồn xả tăng lên.
Hiện tượng này chủ yếu là do đặc tính hệ số âm của MOSFET hạn chế dòng điện qua thiết bị khi nhiệt độ tiếp giáp của nó tăng lên.
Giới hạn bất ổn nhiệt
Tiếp theo, giới hạn thứ tư của MOSFET trong khu vực hoạt động an toàn của nó được biểu thị bằng đường dốc màu vàng, thể hiện giới hạn không ổn định nhiệt.
Trên toàn vùng này của SOA trở nên thực sự quan trọng để thực sự đo công suất hoạt động của thiết bị. Điều này là do vùng không ổn định nhiệt này không thể được dự đoán bằng bất kỳ phương tiện thích hợp nào.
Do đó, thực tế chúng ta cần phân tích MOSFET trong lĩnh vực này để tìm ra vị trí mà FET có thể bị lỗi, và chính xác khả năng làm việc của thiết bị cụ thể là gì?
Vì vậy, chúng ta có thể thấy ngay bây giờ, nếu chúng ta sử dụng giới hạn công suất tối đa này, và kéo dài nó xuống dưới cùng của đường màu vàng, thì đột nhiên chúng ta tìm thấy gì?
Chúng tôi thấy rằng giới hạn sự cố MOSFET nằm ở mức rất thấp, có giá trị thấp hơn nhiều so với vùng giới hạn công suất tối đa được quảng cáo trên biểu dữ liệu (được biểu thị bằng độ dốc màu cam).
Hoặc giả sử chúng ta quá bảo thủ và nói với mọi người rằng, hãy nhìn vùng dưới cùng của đường màu vàng thực sự là những gì FET có thể xử lý ở mức tối đa. Chà, chúng ta có thể ở phía an toàn nhất với tuyên bố này, nhưng sau đó chúng ta có thể đã bù đắp quá mức khả năng giới hạn nguồn của thiết bị, điều này có thể không hợp lý, phải không?
Đó chính là lý do tại sao vùng mất ổn định nhiệt này không thể được xác định hoặc khẳng định bằng các công thức, mà phải được thử nghiệm thực tế.
Giới hạn điện áp sự cố
Vùng giới hạn thứ năm trong biểu đồ SOA là giới hạn điện áp đánh thủng, được biểu diễn bằng đường thẳng đứng màu đen. Mà chỉ đơn thuần là khả năng xử lý điện áp nguồn xả tối đa của FET.
Theo biểu đồ, thiết bị có BVDSS 100 vôn, điều này giải thích tại sao đường thẳng đứng màu đen này được thực thi ở mốc Nguồn xả 100 vôn.
Sẽ rất khó để điều tra khái niệm trước đó về sự không ổn định nhiệt nhiều hơn một chút. Để thực hiện điều này, chúng ta sẽ cần phác thảo một cụm từ được gọi là 'hệ số nhiệt độ'.
Hệ số nhiệt độ MOSFET
Hệ số nhiệt độ MOSFET có thể được định nghĩa là sự thay đổi dòng điện so với sự thay đổi nhiệt độ đường giao nhau của MOSFET.
Tc = ∂ID / ∂Tj
Do đó, khi chúng tôi kiểm tra đường cong đặc tính truyền của MOSFET trong biểu dữ liệu của nó, chúng tôi tìm thấy dòng điện từ nguồn sang nguồn của FET so với điện áp cổng vào nguồn ngày càng tăng của FET, chúng tôi cũng thấy rằng đặc tính này được đánh giá ở mức 3 các khoảng nhiệt độ khác nhau.
Hệ số nhiệt độ bằng không (ZTC)
Nếu chúng ta nhìn vào điểm được biểu thị bằng vòng tròn màu cam, đây là những gì chúng ta chỉ ra là hệ số nhiệt độ bằng không của MOSFET .
Tại thời điểm này, ngay cả khi nhiệt độ đường giao nhau của thiết bị tiếp tục tăng cũng không tạo ra sự tăng cường dòng điện qua FET.
∂ID/ ∂Tj = 0 , Ở đâu TôiD là dòng chảy của MOSFET, Tj đại diện cho nhiệt độ mối nối của thiết bị
Nếu chúng ta nhìn vào khu vực trên hệ số nhiệt độ 0 này (vòng tròn màu cam), khi chúng ta di chuyển từ âm -55 đến 125 độ C, dòng điện qua FET thực sự bắt đầu giảm.
∂ID/ ∂Tj <0
Tình trạng này cho thấy MOSFET đang thực sự trở nên nóng hơn, nhưng điện năng tiêu thụ qua thiết bị ngày càng thấp. Điều này ngụ ý rằng thực sự không có nguy cơ gây mất ổn định cho thiết bị và thiết bị quá nóng có thể được cho phép và không giống như BJT, có thể không có nguy cơ xảy ra tình trạng thoát nhiệt.
Tuy nhiên, tại các dòng điện trong vùng dưới hệ số nhiệt độ 0 (vòng tròn màu cam), chúng tôi nhận thấy xu hướng, trong đó sự gia tăng nhiệt độ của thiết bị, nghĩa là trên âm -55 đến 125 độ, gây ra khả năng truyền tải hiện tại của thiết bị thực sự tăng lên.
∂ID/ ∂Tj > 0
Điều này xảy ra do hệ số nhiệt độ của MOSFET tại những điểm này cao hơn 0. Tuy nhiên, mặt khác, sự gia tăng dòng điện qua MOSFET, gây ra sự gia tăng tương ứng trong RDS (bật) (điện trở nguồn xả) của MOSFET và cũng gây ra sự gia tăng tương ứng trong nhiệt độ cơ thể của thiết bị, dẫn đến dòng điện chuyển qua thiết bị. Khi MOSFET đi vào vùng này của vòng lặp phản hồi tích cực, nó có thể phát triển sự bất ổn trong hành vi MOSFET.
Tuy nhiên, không ai có thể biết được tình huống trên có thể xảy ra hay không và không có thiết kế dễ dàng để dự báo khi loại bất ổn này có thể phát sinh trong MOSFET.
Điều này là do có thể có nhiều thông số liên quan đến MOSFET tùy thuộc vào chính cấu trúc mật độ tế bào của nó, hoặc độ linh hoạt của gói để tản nhiệt đồng đều khắp thân MOSFET.
Do những điểm không chắc chắn này, các yếu tố như sự thoát nhiệt hoặc bất kỳ sự mất ổn định nhiệt nào trong các vùng được chỉ định phải được xác nhận cho từng MOSFET cụ thể. Không, các thuộc tính này của MOSFET không thể được đoán đơn giản bằng cách áp dụng phương trình tổn thất điện năng tối đa.
Tại sao SOA lại rất quan trọng
Các số liệu SOA có thể rất hữu ích trong các ứng dụng MOSFET nơi thiết bị thường xuyên hoạt động trong vùng bão hòa.
Nó cũng hữu ích trong trao đổi nóng hoặc các ứng dụng bộ điều khiển Oring, nơi điều quan trọng là phải biết chính xác mức công suất mà MOSFET có thể chịu đựng, bằng cách tham khảo biểu đồ SOA của chúng.
Trên thực tế, bạn sẽ thấy rằng các giá trị vùng hoạt động an toàn MOSFET có xu hướng rất hữu ích cho hầu hết người tiêu dùng xử lý các sản phẩm điều khiển động cơ, biến tần / bộ chuyển đổi hoặc SMPS, nơi thiết bị thường được vận hành trong điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt hoặc quá tải.
Nguồn: Đào tạo MOSFET , Khu vực hoạt động an toàn
Một cặp: Cách thức hoạt động của IC LM337: Datasheet, Application Circuits Tiếp theo: Mạch Biến tần Sinewave Class-D
