W części drugiej cyklu wspominano o krzywych SOA tranzystorów MOSFET. W poniższej części opisane jest dokładnie jak krzywa taka jest wyznaczana i z jakich składa się odcinków. Dokładny opis poszczególnych fragmentów i tego z jakich ograniczeń fizycznych układu wynikają pozwoli na zrozumienie jak najefektywniej stosować te elementy w układzie bez ryzykowania ich uszkodzenia.
Na rysunku pierwszym, poniżej, przedstawiono ideowo krzywą SOA, dla modelowego tranzystora MOSFET. Zaprezentowane dane pokazują także krzywą SOA dla pracy impulsowej, dla pojedynczego impulsu prostokątnego zaprezentowane są, aby pokazać jak praca w takich warunkach odbiega od pracy w warunkach stacjonarnych.
(1) Ograniczenie RDS(on) (stosunek VDS/IDS musi być stały)
(2) Maksymalny impulsowy prąd drenu (IDS jest stałe)
(3) Maksymalna rozpraszana moc w pracy impulsowej (iloczyn VDS x IDS musi być stały)
(4) Maksymalne dopuszczalne napięcie pracy (VDS jest stałe)
(5) Odbieganie od idealnego, liniowego modelu, pokazanego w (3) dla pracy w sytuacji dodatniego termicznego sprzężenia zwrotnego FETa - możliwe przegrzanie układu.
Przerywana linia (5) podkreśla to jak rzeczywista krzywa SOA różni się od idealnej, wyznaczonej matematycznie, w warunkach sprzężenia termicznego układu.
Ograniczenie RDS(on)
Rejon (1) krzywej SOA ograniczony jest linią opisaną równaniem pierwszym, poniżej:
Ograniczenie to jest istotne w momencie gdy tranzystor jest w pełni otwarty i przewodzi, a rezystancja jest nie większa niż RDS(on) przy wysokiej temperaturze.
Rejon stałego prądu
Rejon (2) krzywej SOA wynika z ograniczenia maksymalnego prądu impulsowego, którego ograniczenie podaje producent. Jest ono zależne od fizycznej konstrukcji tranzystora, np. od grubości połączeń wewnętrznych w układzie.
Maksymalne rozpraszanie ciepła (tryb liniowy)
W tym rejonie krzywej SOA, tranzystor FET funkcjonuje jako źródło prądowe sterowane napięciem bramki. Oznacza to, że przyłożone są do niego spore napięcia i prądy, co przekłada się na sporą ilość generowanego przez element ciepła. Linia (3) pokazuje idealne zachowanie, a przerywana linia (5) odchyłkę od ideału spowodowaną zjawiskami termicznymi w tranzystorze.
Czynnikiem ograniczającym krzywą SOA do linii pokazanej w (5) jest ogrzewanie tranzystora podczas przykładania prostokątnego impulsu prądu i napięcia. Nawet w idealnej sytuacji krzywa ta zależna jest od przejściowej impedancji termicznej tranzystora.
Przejściowa impedancja termiczna elementu zmienia się z czasem trwania impulsu. Związane jest to z faktem, że różne elementy struktury tranzystora charakteryzują się różną termiczna rezystancją i pojemnością, co powoduje stworzenie termicznego analoga układu RC pomiędzy złączem (j), gdzie generowane jest ciepło, a podstawą montażową (mb) układu. Równanie 2 pozwala na wyznaczenie kształu krzywej w tym regionie krzywej SOA.
Idealna sytuacja doskonale opisuje zachowanie MOSFETa dla wysokich gęstości prądu, jednakże jest nazbyt optymistyczna przy niskim prądzie, to znaczy dla prawego dolnego rogu krzywej SOA w regionie (3). Niski prąd przy wysokim napięciu VDS może prowadzić do dodatniego termicznego sprzężenia zwrotnego w układzie, co opisano poniżej.
Ucieczka termiczna w trybie liniowej pracy
Bardzo często opisuje się MOSFETy jako elementy odporne na wspominane zjawisko, z uwagi na termiczny współczynnik rezystancji, który powinien ograniczać to zjawisko. Wraz z wzrostem temperatury spada prąd płynący przez MOSFET. Jednakże jest to prawdziwe tylko gdy tranzystor jest w pełni otwarty (tj. np. w rejonie (1) krzywej SOA), ale to nie wszystko.
Gdy tranzystor MOSFET jest załączony, konkurują w nim dwa efekty związane z wzrostem jego temperatury. Opisują one jak zmienia się płynący prąd. Wraz ze wzrostem temperatury spada próg napięcia, więc tranzystor jest mocniej załączany, co zwiększa prąd. Z drugiej natomiast strony zwiększanie się temperatury powoduje zwiększanie rezystancji półprzewodnika, co redukuje prąd. Rezultat dla stałego prądu dren-źródło pokazany jest na rysunku drugim. Sytuacja taka ma miejsce, gdy napięcie bramka-źródło wykorzystywane jest do kontrolowania prądu FETa lub gdy tranzystor załączany jest powoli.
Rys.2.Charakterystyka przejściowa dla idealnego tranzystora MOSFET pokazująca rejony dodatniego i ujemnego współczynnika termicznego
Przy wysokich prądach dominuje wzrost rezystancji elementu, co oznacza że zwiększanie się temperatury przekłada się na zmniejszanie prądu. Przy niskich prądach dominują efekty związane z zmniejszaniem progu załączenia, czyli zwiększające płynący prąd, co przekłada się na możliwość cieplnej ucieczki i zniszczenia elementu.
Konsekwencją tego jest fakt, że dla danego VDS istnieje krytyczny prąd, poniżej którego dominuje dodatnie termiczne sprzężenie zwrotne, przekładające się na ryzyko ucieczki termicznej elementu. Powyżej tego prądu ujemne sprzężenie termiczne stabilizuje element. Punkt krytyczny nazywany jest punktem o Zerowym Współczynnikiem Termicznym (ZTC).
Opisany powyżej efekt zmienia kształt krzywej SOA dla niskich prądów i wysokich napięć dren-źródło. Oznacza to, że trzeba ograniczyć w tym rejonie moc elementu do stałej wartości, jak pokazuje fragment (5) krzywej SOA. Dla krótkich impulsów efekty te są pomijalne, jednakże wraz z wydłużaniem impulsu są coraz bardziej istotne.
Region ograniczenia napięcia
W tym rejonie krzywej SOA parametry układu ograniczone są napięciem przebicia VDS tranzystora, co pokazane jest z pomocą linii (4). Napięcie przebicia dla MOSFETa, którego krzywą SOA pokazano na rysunku pierwszym wynosi 100 V. Wartość napięcia przebicia odnaleźć można w karcie katalogowej każdego FETa.
Uwaga!
Pomiary i wyliczenia krzywej SOA realizowane są przy dwóch istotnych założeniach:
1. Temperatura pracy układu wynosi 25 °C.
2. Impuls prądu jest prostokątny.
W dalszej części artykułu (link poniżej) podano jak zmieniają się obliczenia przy wzroście temperatury pracy powyżej 25°C, oraz sposób wyznaczania krzywej SOA dla przykładowego, realnego już elementu.
Źródło: http://www.nxp.com/documents/application_note/AN11158.pdf
Na rysunku pierwszym, poniżej, przedstawiono ideowo krzywą SOA, dla modelowego tranzystora MOSFET. Zaprezentowane dane pokazują także krzywą SOA dla pracy impulsowej, dla pojedynczego impulsu prostokątnego zaprezentowane są, aby pokazać jak praca w takich warunkach odbiega od pracy w warunkach stacjonarnych.
(1) Ograniczenie RDS(on) (stosunek VDS/IDS musi być stały)
(2) Maksymalny impulsowy prąd drenu (IDS jest stałe)
(3) Maksymalna rozpraszana moc w pracy impulsowej (iloczyn VDS x IDS musi być stały)
(4) Maksymalne dopuszczalne napięcie pracy (VDS jest stałe)
(5) Odbieganie od idealnego, liniowego modelu, pokazanego w (3) dla pracy w sytuacji dodatniego termicznego sprzężenia zwrotnego FETa - możliwe przegrzanie układu.
Przerywana linia (5) podkreśla to jak rzeczywista krzywa SOA różni się od idealnej, wyznaczonej matematycznie, w warunkach sprzężenia termicznego układu.
Ograniczenie RDS(on)
Rejon (1) krzywej SOA ograniczony jest linią opisaną równaniem pierwszym, poniżej:
VDS/IDS ≦ RDS(on) przy 175°C(1)
Ograniczenie to jest istotne w momencie gdy tranzystor jest w pełni otwarty i przewodzi, a rezystancja jest nie większa niż RDS(on) przy wysokiej temperaturze.
Rejon stałego prądu
Rejon (2) krzywej SOA wynika z ograniczenia maksymalnego prądu impulsowego, którego ograniczenie podaje producent. Jest ono zależne od fizycznej konstrukcji tranzystora, np. od grubości połączeń wewnętrznych w układzie.
Maksymalne rozpraszanie ciepła (tryb liniowy)
W tym rejonie krzywej SOA, tranzystor FET funkcjonuje jako źródło prądowe sterowane napięciem bramki. Oznacza to, że przyłożone są do niego spore napięcia i prądy, co przekłada się na sporą ilość generowanego przez element ciepła. Linia (3) pokazuje idealne zachowanie, a przerywana linia (5) odchyłkę od ideału spowodowaną zjawiskami termicznymi w tranzystorze.
Czynnikiem ograniczającym krzywą SOA do linii pokazanej w (5) jest ogrzewanie tranzystora podczas przykładania prostokątnego impulsu prądu i napięcia. Nawet w idealnej sytuacji krzywa ta zależna jest od przejściowej impedancji termicznej tranzystora.
Przejściowa impedancja termiczna elementu zmienia się z czasem trwania impulsu. Związane jest to z faktem, że różne elementy struktury tranzystora charakteryzują się różną termiczna rezystancją i pojemnością, co powoduje stworzenie termicznego analoga układu RC pomiędzy złączem (j), gdzie generowane jest ciepło, a podstawą montażową (mb) układu. Równanie 2 pozwala na wyznaczenie kształu krzywej w tym regionie krzywej SOA.
P = ID x VDS = (Tj(max) - Tmb)/(Zth(j-mb))(2)
Idealna sytuacja doskonale opisuje zachowanie MOSFETa dla wysokich gęstości prądu, jednakże jest nazbyt optymistyczna przy niskim prądzie, to znaczy dla prawego dolnego rogu krzywej SOA w regionie (3). Niski prąd przy wysokim napięciu VDS może prowadzić do dodatniego termicznego sprzężenia zwrotnego w układzie, co opisano poniżej.
Ucieczka termiczna w trybie liniowej pracy
Bardzo często opisuje się MOSFETy jako elementy odporne na wspominane zjawisko, z uwagi na termiczny współczynnik rezystancji, który powinien ograniczać to zjawisko. Wraz z wzrostem temperatury spada prąd płynący przez MOSFET. Jednakże jest to prawdziwe tylko gdy tranzystor jest w pełni otwarty (tj. np. w rejonie (1) krzywej SOA), ale to nie wszystko.
Gdy tranzystor MOSFET jest załączony, konkurują w nim dwa efekty związane z wzrostem jego temperatury. Opisują one jak zmienia się płynący prąd. Wraz ze wzrostem temperatury spada próg napięcia, więc tranzystor jest mocniej załączany, co zwiększa prąd. Z drugiej natomiast strony zwiększanie się temperatury powoduje zwiększanie rezystancji półprzewodnika, co redukuje prąd. Rezultat dla stałego prądu dren-źródło pokazany jest na rysunku drugim. Sytuacja taka ma miejsce, gdy napięcie bramka-źródło wykorzystywane jest do kontrolowania prądu FETa lub gdy tranzystor załączany jest powoli.
Rys.2.Charakterystyka przejściowa dla idealnego tranzystora MOSFET pokazująca rejony dodatniego i ujemnego współczynnika termicznego
Przy wysokich prądach dominuje wzrost rezystancji elementu, co oznacza że zwiększanie się temperatury przekłada się na zmniejszanie prądu. Przy niskich prądach dominują efekty związane z zmniejszaniem progu załączenia, czyli zwiększające płynący prąd, co przekłada się na możliwość cieplnej ucieczki i zniszczenia elementu.
Konsekwencją tego jest fakt, że dla danego VDS istnieje krytyczny prąd, poniżej którego dominuje dodatnie termiczne sprzężenie zwrotne, przekładające się na ryzyko ucieczki termicznej elementu. Powyżej tego prądu ujemne sprzężenie termiczne stabilizuje element. Punkt krytyczny nazywany jest punktem o Zerowym Współczynnikiem Termicznym (ZTC).
Opisany powyżej efekt zmienia kształt krzywej SOA dla niskich prądów i wysokich napięć dren-źródło. Oznacza to, że trzeba ograniczyć w tym rejonie moc elementu do stałej wartości, jak pokazuje fragment (5) krzywej SOA. Dla krótkich impulsów efekty te są pomijalne, jednakże wraz z wydłużaniem impulsu są coraz bardziej istotne.
Region ograniczenia napięcia
W tym rejonie krzywej SOA parametry układu ograniczone są napięciem przebicia VDS tranzystora, co pokazane jest z pomocą linii (4). Napięcie przebicia dla MOSFETa, którego krzywą SOA pokazano na rysunku pierwszym wynosi 100 V. Wartość napięcia przebicia odnaleźć można w karcie katalogowej każdego FETa.
Uwaga!
Pomiary i wyliczenia krzywej SOA realizowane są przy dwóch istotnych założeniach:
1. Temperatura pracy układu wynosi 25 °C.
2. Impuls prądu jest prostokątny.
W dalszej części artykułu (link poniżej) podano jak zmieniają się obliczenia przy wzroście temperatury pracy powyżej 25°C, oraz sposób wyznaczania krzywej SOA dla przykładowego, realnego już elementu.
Źródło: http://www.nxp.com/documents/application_note/AN11158.pdf
Fajne? Ranking DIY