功率MOSFET安全工作区SOA：真的安全吗？ 工作区, 工程师, 测量, 电源

掘金小分队

作者经常遇到许多研发工程师寻问功率MOSFET的SOA曲线有关的问题，如有些做电源的研发工程师，电源结构为反激或BUCK降压变换器，他们测量到功率MOSFET的电压和电流波形，然后根据电压、电流波形和工作的脉宽时间，在SOA曲线中描出对应的工作点，来校核工作点是否在SOA曲线的范围内，以此来判断功率MOSFET的工作是否安全。事实上，这样的校核方法并不正确，原因在于对于功率MOSFET的SOA曲线理解的偏差。

1、功率MOSFET安全工作区SOA曲线

功率MOSFET数据表中SOA曲线是正向偏置的SOA曲线，即FBSOA曲线，那么这个安全工作区SOA曲线是如何定义的呢？这个曲线必须结合前面讨论过的功率MOSFET的耐压、电流特性和热阻特性，来理解功率MOSFET的安全工作区SOA曲线。它定义了最大的漏源极电压值、漏极电流值，以保证器件在正向偏置时安全的工作，如下图，SOA曲线左上方的边界斜线，受漏源极的导通电阻RDS（ON）限制；SOA曲线右边垂直的边界，是最大的漏源极电压BVDSS；SOA曲线最上面水平线，由最大的脉冲漏极电流IDM的限制，右上方平行的一组斜线，是不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流。

图1：正向偏置SOA安全工作区

（1）SOA曲线左上方的边界斜线，受漏源极的导通电阻RDS（ON）限制。因为在一定的VGS的电压下，功率MOSFET都有一个确定的RDS（ON），因此：
        VDS
= ID · RDS（ON）

这条斜线的斜率就是1/RDS（ON）。以前论述过功率MOSFET数据表中RDS（ON）的特性和测试条件，在不同的温度以及在不同的脉冲电流及脉冲宽度条件下，RDS（ON）的值都会不同，在实际的应用过程中，这条曲线的斜率因条件的不同而不同。

（2）SOA曲线右边垂直的边界，是最大的漏源极电压BVDSS。BVDSS是功率MOSFET数据表中所标称的最小值。同样的，在不同的测试条件下这个值也会不同，特别是采用更高的测试电流IDSS时，名义的标称值就会偏高，而实际的工作范围就会减小。


（3）SOA曲线最上面水平线，由最大的脉冲漏极电流IDM的限制。右上方平行的一组斜线，是不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流。
这个值是一个测量值，如果使用最小脉冲宽度下的瞬态热阻值、最大的RDS（ON）和允许的温升来计算，所得到最大漏极电流会比IDM更高，因此也就不正确，对于特定范围的脉冲宽度，最大的脉冲漏极电流就定义为IDM。


RDS（ON）限制的斜线和最大的脉冲漏极电流IDM有一个交点，在这个交点的右边，也就是图1中红线的右边，不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流曲线都几乎工作在线性区，而且这一组曲线的电流和电压值是通过瞬态的热阻和允许的温升（功耗）所计算出来的。

通过上述公式，就可以将不同的单脉冲宽度下，VDS和ID的曲线作出来，因此数据表中的SOA曲线是一个计算值，而且最为关键的是，大多数SOA曲线都是基于TC=25℃温度下的计算值。

2、功率MOSFET实际工作条件

在实际的工作中，功率MOSFET的TC的温度，也就是器件下面铜皮的温度，绝对不可能为25℃，通常远远高于25℃，有些应用达到100-120℃，一些极端的应用甚至会更高，这样数据表中的SOA曲线很难对实际的应用提供有用的参考价值。使用RJA折算成TA=25℃时的电流和电压值作出SOA曲线，相对的可以对实际的应用提供一些参考。

采用行业内的标准使用计算的方法所得到的SOA曲线，由于大多工作在线性区，计算过程不可能考虑到功率MOSFET的热电效应。在过去的时候，功率MOSFET采用平面的结构，每个单元的间隔大，很少会产生局部的热集中，基于TA=25℃的SOA曲线和实际的应用比较接近，偏差也较小。

由于技术不断的进步，目前通常采用沟槽以及SGT技术，单元的密度急剧提高，单元和单元间的间距小，容易相互加热产生局部的热集中，导致内部的单元不平衡，热电效应的影响明显的增强，特别是在高压的时候，内部的电场外强度大，进一步增加热电效应。因此，使用线性区的功率计算的SOA曲线，和实际的应用偏差非常大。

对于大多开关电源和电力电子的应用，功率MOSFET工作在高频的开关状态，完全的导通或截止，米勒电容产生的米勒平台的线性区，也就是产生开关损耗的区间，持续的时间非常短，通常是几个或几十个ns，因此使用测量到的功率MOSFET电压和电流的波形，在SOA曲线的线性区描点，来校核功率MOSFET是否安全工作，这种方法并不正确，特别是在TC=25℃的SOA曲线中进行这样的校核完全没有意义。当功率MOSFET工作在高频的开关状态时，计算功率MOSFET的总体损耗，由热阻来校核结温，更有意义一些。

3、功率MOSFET的SOA曲线分析

下面分析几个SOA曲线数据表中的例子，来进一步理解SOA曲线的定义。

3.1 AON6590

图2：AON6590的SOA曲线

（1） 从SOA曲线漏源极导通电阻RDS（ON）限制的斜率，来计算导通电阻：
RDS（ON） = (0.1-0.03）/(60-20) = 0.00175Ohm

在数据表中可以得到TJ=25℃时RDS（ON）远小于SOA曲线的计算值，因此它的取值应该是TJ=150℃时的值。




不同的公司在SOA曲线中，导通电阻RDS（ON）限制的斜线所采用的的RDS（ON）的值，有些公司取TJ=25℃，有些公司取TJ=150℃，有些公司取TJ=175℃，而且对于相应的温度，取典型值还是最大值，也不相同。条件越严格，SOA曲线的范围就越小。

（2）最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压，这条直线的定义比较简单，当然当测试条件不同时，额定电压的值也会不同。

（3）最上面的电流水平线，由最大的脉冲漏极电流IDM的限制，SOA曲线和数据表中的值都为400A，基于TC=25℃。

最低DC的电流水平线，SOA曲线和数据表中的值都为100A，基于TC=25℃。右上方平行的斜线组，列出了DC、不同的单脉冲宽度下，10ms、1ms、100us、10us的计算值斜线。

基于最高的结温的允许温升、热阻或瞬态热阻，那么最高的允许的功率就可以确定，对于一个确定的电压VDS，就可以计算相应的电流ID，这些斜线组相当于在TC=25℃时，工作在线性区的功率限制的计算值。

3.2 IPB117N20NFD

图3：IPB117N20NFD的SOA曲线



（1） 从SOA曲线漏源极导通电阻RDS（ON）限制的斜率，来计算导通电阻：


RDS（ON） = (1-0.1）/(30-3) = 0.033Ohm

（2）最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压，200V。

（3）最上面的电流水平线，由最大的脉冲漏极电流IDM的限制，SOA曲线和数据表中的值都为336A，基于TC=25℃。

最低DC的电流水平线，SOA曲线和数据表中的值都为84A，基于TC=25℃。右上方平行的斜线组，列出了DC、不同的单脉冲宽度下，10ms、1ms、100us、10us、1us的计算值斜线。

4、实测功率MOSFET的SOA曲线

一些应用中，功率MOSFET完全工作在线性区或较长的时间工作在线性区，那么，为了保证功率MOSFET的可靠性，就要测量真正的SOA曲线，以避免热电效应所产生的破坏。设计的时候，要保证有一定的裕量，从而保证系统的安全，如下图IRFB4410和IRL40B212的SOA曲线。

图4：IRFB4410的SOA曲线

图5：IRL40B212的SOA曲线


负载开关及热插拔较长时间工作在导通电阻的负温度系数区，分立MOSFET组成的LDO一直工作在负温度系数区，也就是上面所谓的线性区，以后会推送文章说明这二种应用设计的要点。




文章来源：微信公众号  融创芯城（一站式电子元器件、PCB、PCBA购买服务平台，项目众包平台）