Безопасная рабочая зона

Для силовых полупроводниковых устройств (таких как BJT , MOSFET , тиристор или IGBT ) безопасная рабочая зона (SOA) определяется как условия напряжения и тока , при которых устройство может работать без самоповреждения. ^[1]

SOA обычно представляется в таблицах данных транзисторов в виде графика с V _CE (напряжение коллектор-эмиттер) по оси абсцисс и I _CE (ток коллектор-эмиттер) по ординате ; безопасная «область», относящаяся к области под кривой. Спецификация SOA объединяет различные ограничения устройства — максимальное напряжение, ток, мощность, температуру перехода , вторичный пробой — в одну кривую, что позволяет упростить проектирование схем защиты.

Часто в дополнение к непрерывному номиналу также строятся отдельные кривые SOA для условий импульсов малой длительности (импульс 1 мс, импульс 10 мс и т. д.).

Кривая безопасной рабочей зоны представляет собой графическое представление мощности устройства при различных условиях. Кривая SOA учитывает допустимую токовую нагрузку проводной связи, температуру перехода транзистора, внутреннюю рассеиваемую мощность и ограничения вторичного пробоя.

Границы безопасной рабочей зоны

Если и ток, и напряжение представлены в логарифмическом масштабе , границы SOA представляют собой прямые линии:

I _C = I _C max — ограничение тока
V _CE = V _CE max — предел напряжения
I _C V _CE = Pmax — предел рассеяния, тепловой пробой
I _C V _CE^а = const — это предел, определяемый вторичным пробоем (только транзисторы с биполярным переходом)

Спецификации SOA полезны инженерам-конструкторам, работающим над силовыми цепями, такими как усилители и источники питания , поскольку они позволяют быстро оценить пределы производительности устройства, спроектировать соответствующую схему защиты или выбрать более эффективное устройство. Кривые SOA также важны при разработке схем обратной связи .

Вторичная поломка

Об устройстве, использующем эффект вторичного пробоя, см. Лавинный транзистор.

Вторичный пробой — это вид отказа биполярных силовых транзисторов. В силовом транзисторе с большой площадью перехода при определенных условиях тока и напряжения ток концентрируется в небольшом пятне перехода база-эмиттер. Это вызывает локальный нагрев, перерастающий в короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Это часто приводит к разрушению транзистора. Вторичная поломка может произойти как при прямом, так и при обратном базовом приводе. ^[2] За исключением низких напряжений коллектор-эмиттер, предел вторичного пробоя ограничивает ток коллектора больше, чем рассеиваемая мощность устройства в установившемся режиме. ^[3] У старых мощных МОП-транзисторов не было вторичного пробоя, а их безопасная рабочая зона ограничивалась только максимальным током (емкостью соединительных проводов), максимальной рассеиваемой мощностью и максимальным напряжением. Это изменилось в более поздних устройствах, как подробно описано в следующем разделе. ^[4] Однако силовые МОП-транзисторы имеют внутри структуры паразитные элементы PN и BJT, которые могут вызывать более сложные локализованные виды отказов, напоминающие вторичный пробой.

Термический разгон MOSFET в линейном режиме

В начале своей истории МОП-транзисторы стали известны отсутствием вторичного пробоя. Это преимущество было связано с тем, что сопротивление открытого состояния увеличивается с повышением температуры, так что часть МОП-транзистора, которая нагревается сильнее (например, из-за неравномерностей крепления кристалла и т. д.), будет пропускать меньшую плотность тока, стремясь к равномерному току. исключают любые колебания температуры и предотвращают появление горячих точек. Недавно стали доступны МОП-транзисторы с очень высокой крутизной, оптимизированные для переключения. При работе в линейном режиме, особенно при высоких напряжениях сток-исток и низких токах стока, напряжение затвор-исток имеет тенденцию быть очень близким к пороговому напряжению. К сожалению, пороговое напряжение уменьшается с увеличением температуры, так что при небольших изменениях температуры на кристалле более горячие области будут иметь тенденцию проводить больший ток, чем более холодные области, когда Vgs очень близко к Vth. Это может привести к тепловому выходу из-под контроля и разрушению МОП-транзистора, даже если он работает в пределах номиналов Vds, Id и Pd. ^[5]^[6] Некоторые (обычно дорогие) МОП-транзисторы предназначены для работы в линейной области и включают диаграммы SOA постоянного тока, например IXYS IXTK8N150L. ^[7]

Безопасная рабочая зона обратного смещения

Транзисторам требуется некоторое время для выключения из-за таких эффектов, как время хранения неосновных несущих и емкость. При выключении они могут быть повреждены в зависимости от реакции нагрузки (особенно при плохо демпфируемых индуктивных нагрузках). ( Безопасная рабочая зона обратного смещения или RBSOA ) — это SOA в течение короткого времени перед переводом устройства в выключенное состояние — в течение короткого времени, когда ток смещения базы меняется на противоположное. Пока напряжение коллектора и ток коллектора остаются в пределах RBSOA в течение всего времени выключения, транзистор не будет поврежден. Обычно RBSOA указывается для различных условий выключения, таких как замыкание базы на эмиттер, а также для более быстрых протоколов выключения, в которых напряжение смещения база-эмиттер меняется на противоположное.

RBSOA демонстрирует четкие зависимости по сравнению с обычным SOA. Например, в IGBT сильноточный и высоковольтный угол RBSOA отключается, когда напряжение коллектора увеличивается слишком быстро. ^[8] Поскольку RBSOA связан с очень коротким процессом выключения, он не ограничен пределом непрерывной рассеиваемой мощности.

Обычную безопасную рабочую зону (когда устройство находится во включенном состоянии) можно называть безопасной рабочей зоной прямого смещения (или FBSOA ), если ее можно спутать с RBSOA.

Защита

Наиболее распространенная форма защиты SOA, используемая с биполярными транзисторами, определяет ток коллектор-эмиттер с помощью последовательного резистора малого номинала. Напряжение на этом резисторе подается на небольшой вспомогательный транзистор, который постепенно «крадет» базовый ток у силового устройства по мере прохождения через него избыточного тока коллектора.

Другой способ защиты заключается в измерении температуры снаружи транзистора для оценки температуры перехода и уменьшении подачи на устройство или его отключении, если температура слишком высока. Если несколько транзисторов используются параллельно, необходимо контролировать температуру корпуса лишь некоторых из них, чтобы защитить все параллельные устройства.

Этот подход эффективен, но не надежен. На практике очень сложно спроектировать схему защиты, которая будет работать при любых условиях, и инженеру-проектировщику приходится сопоставлять вероятные условия отказа со сложностью и стоимостью защиты.

См. также

Снижение номинальных характеристик

Ссылки

^ Тим Уильямс, Товарищ схемотехника, 2-е изд. ,Баттерворт-Хайнеманн, 2004 г. ISBN 0-7506-6370-7 , стр. 129–130.
^ Л. В. Тернер, (редактор), Справочник инженера-электронщика , 4-е изд. Ньюнс-Баттерворт, Лондон, 1976 г. ISBN 0408001682 , страницы 8–45 и 8–46.
^ SANYO Semiconductor Co., Ltd., Зона безопасной эксплуатации
^ Пол Горовиц и Уинфилд Хилл, Искусство электроники, 2-е изд. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1989 г. ISBN 0-521-37095-7 стр. 321
^ Международная записка по применению выпрямителя AN-1155
^ НХП AN11158
^ Обсуждение MOSFET SOA (на немецком языке)
^ М. Х. Рашид, Справочник по силовой электронике , Academic Press, 2001, ISBN 0-12-581650-2 , стр. 108-109.

Х.А. Шаффт, Дж. К. Френч, Вторичный пробой транзисторов , IRE Trans. Электронные приборы ЭД-9, 129-136 (1962). онлайн
Микаэль Байранзаде, Общие сведения о параметрах пробоя силовых транзисторов , узел приложения OnSemi AN1628/D онлайн
Технический документ Apex по эксплуатации силовых операционных усилителей в SOA

[1] Тим Уильямс, Товарищ схемотехника, 2-е изд. ,Баттерворт-Хайнеманн, 2004 г. ISBN 0-7506-6370-7 , стр. 129–130.

[2] Л. В. Тернер, (редактор), Справочник инженера-электронщика , 4-е изд. Ньюнс-Баттерворт, Лондон, 1976 г. ISBN 0408001682 , страницы 8–45 и 8–46.

[3] SANYO Semiconductor Co., Ltd., Зона безопасной эксплуатации

[4] Пол Горовиц и Уинфилд Хилл, Искусство электроники, 2-е изд. Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1989 г. ISBN 0-521-37095-7 стр. 321

[5] Международная записка по применению выпрямителя AN-1155

[6] НХП AN11158

[7] Обсуждение MOSFET SOA (на немецком языке)

[8] М. Х. Рашид, Справочник по силовой электронике , Academic Press, 2001, ISBN 0-12-581650-2 , стр. 108-109.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]