Se você está se perguntando ou preocupado com a quantidade precisa de energia que seu MOSFET pode tolerar em condições extremas ou em situações de dissipação extremas, então os números SOA do dispositivo são exatamente o que você deve observar.
Nesta postagem, discutiremos de forma abrangente a Área de Operação Segura, ou SOA, conforme mostrado na folha de dados do MOSFET.
A seguir está a área operacional segura do MOSFET ou o gráfico SOA que normalmente é visto em todos Instrumentos Texas folhas de dados.
MOSFET SOA é descrito como a magnitude que especifica a potência máxima que o FET pode manipular enquanto está operando na região de saturação.
O vislumbre ampliado do gráfico SOA pode ser visto na próxima imagem abaixo.
No gráfico SOA acima, podemos ver todas essas limitações e limites. E mais profundamente no gráfico, encontramos limitações adicionais para muitas durações de pulso individuais diferentes. E essas linhas dentro do gráfico, podem ser determinadas por meio de cálculos ou medidas físicas.
Em planilhas de dados anteriores e mais antigas, esses parâmetros foram estimados com valores calculados.
No entanto, normalmente é recomendado que esses parâmetros sejam medidos de forma prática. Se você avaliá-los usando fórmulas, pode acabar obtendo valores hipotéticos que podem ser literalmente muito maiores do que o FET pode tolerar na aplicação do mundo real. Ou talvez você possa reduzir (supercompensar) os parâmetros a um nível que pode ser muito moderado, em relação ao que o FET pode realmente lidar.
Portanto, em nossas discussões a seguir, aprendemos os parâmetros SOA que são avaliados por meio de métodos práticos reais e não por fórmulas ou simulações.
Vamos começar entendendo o que é modo de saturação e modo linear em FETs.
Modo Linear vs Modo de Saturação
Referindo-se ao gráfico acima, o modo linear é, definido como a região, na qual o RDS (ligado) ou a resistência dreno-fonte do FET é consistente.
Isso significa que a corrente que passa pelo FET é diretamente proporcional à polarização dreno-fonte através do FET. Também é frequentemente conhecida como região ôhmica, uma vez que o FET atua essencialmente de forma semelhante a um resistor fixo.
Agora, se começarmos a aumentar a tensão de polarização dreno-fonte para o FET, eventualmente encontraremos o FET operando em uma região conhecida como região de saturação. Uma vez que a operação do MOSFET é forçada para a região de saturação, a corrente (amperes) que se move através do MOSFET através do dreno para a fonte não responde mais ao aumento da tensão de polarização dreno para fonte.
Portanto, independentemente de quanto você aumentar a tensão de drenagem, este FET continua a transferir um nível máximo fixo de corrente através dele.
A única maneira pela qual você é capaz de manipular a corrente é geralmente variando a tensão porta-fonte.
No entanto, esta situação parece um pouco confusa, uma vez que essas são geralmente as descrições de seus livros de região linear e de saturação. Anteriormente, aprendemos que esse parâmetro é freqüentemente conhecido como região ôhmica. No entanto, algumas pessoas realmente chamam isso de região linear. Talvez, a mentalidade seja, bem, isso parece uma linha reta, então tem que ser linear?
Se você notar as pessoas discutindo aplicativos hot-swap, eles vão expressar, bem, estou trabalhando em uma região linear. Mas isso é essencialmente tecnologicamente inadequado.
Compreendendo o MOSFET SOA
Agora, como sabemos o que é uma região de saturação FET, podemos revisar nosso gráfico SOA em detalhes. O SOA pode ser dividido em 5 limitações individuais. Vamos aprender o que exatamente são.
Limitação RDS (ligado)
A primeira linha do gráfico, que é cinza, representa a limitação RDS (ativado) do FET. E esta é a região que efetivamente limita a quantidade máxima de corrente através do FET devido à resistência do dispositivo.
Em outras palavras, indica a maior resistência do MOSFET que pode existir na temperatura de junção máxima tolerável do MOSFET.
Observamos que esta linha cinza tem uma inclinação de unidade constante positiva, simplesmente porque cada ponto dentro desta linha possui uma quantidade idêntica de resistência ON, de acordo com a lei de Ohm, que afirma que R é igual a V dividido por I.
Limitação Atual
A próxima linha de limitação no gráfico SOA representa a limitação atual. Acima no gráfico, os diferentes valores de pulso indicados pelas linhas azul, verde e violeta podem ser vistos, limitados a 400 amperes pela linha preta horizontal superior.
A seção horizontal curta da linha VERMELHA indica o limite do pacote do dispositivo, ou o limite de corrente contínua (DC) do FET, em torno de 200 amperes.
Limitação máxima de potência
A terceira limitação de SOA é a linha de limitação de potência máxima do MOSFET, representada pela linha laranja inclinada.
Como notamos, esta linha possui uma inclinação constante, mas negativa. É constante, pois todos os pontos desta linha de limite de potência SOA carregam a mesma potência constante, representada pela fórmula P = IV.
Portanto, nesta curva logarítmica SOA, isso gera uma inclinação de -1. O sinal negativo é devido ao fato de que o fluxo de corrente através do MOSFET aqui diminui à medida que a tensão da fonte de drenagem aumenta.
Este fenômeno é principalmente devido às características de coeficiente negativo do MOSFET, que restringe a corrente através do dispositivo conforme sua temperatura de junção aumenta.
Limitação de instabilidade térmica
Em seguida, a quarta limitação do MOSFET em sua área de operação segura é indicada pela linha amarela inclinada, que representa a limitação de instabilidade térmica.
É nesta região do SOA que se torna realmente crucial medir a capacidade operacional do dispositivo. Isso ocorre porque essa região de instabilidade térmica não pode ser prevista por nenhum meio adequado.
Portanto, praticamente precisamos analisar o MOSFET nesta área para descobrir onde o FET pode falhar e exatamente qual é a capacidade de trabalho do dispositivo específico?
Assim, podemos ver agora, se pegássemos essa limitação de potência máxima e a estendêssemos até a parte inferior da linha amarela, então, de repente, o que encontraríamos?
Descobrimos que a limitação de falha do MOSFET atinge um nível muito baixo, que é muito menor em valor em comparação com a região de limitação de potência máxima promovida na folha de dados (representada pela inclinação laranja).
Ou suponha que sejamos muito conservadores e digamos às pessoas que, olhe, a região inferior da linha amarela é realmente o que o FET pode suportar no máximo. Bem, podemos estar do lado mais seguro com esta declaração, mas então podemos ter compensado em excesso a capacidade de limitação de energia do dispositivo, o que pode não ser razoável, certo?
É exatamente por isso que esta região de instabilidade térmica não pode ser determinada ou reivindicada com fórmulas, mas deve ser realmente testada.
Limitação de tensão de ruptura
A quinta região de limitação no gráfico SOA é a limitação de tensão de ruptura, representada pela linha vertical preta. Que é meramente a capacidade máxima de manipulação de tensão de fonte de drenagem do FET.
De acordo com o gráfico, o dispositivo apresenta um BVDSS de 100 volts, o que explica por que essa linha vertical preta é aplicada na marca Drain-Source de 100 volts.
Seria interessante investigar um pouco mais a noção anterior de instabilidade térmica. Para fazer isso, precisaremos delinear uma frase conhecida como 'coeficiente de temperatura'.
Coeficiente de temperatura MOSFET
O coeficiente de temperatura do MOSFET pode ser definido como a mudança na corrente em relação à mudança na temperatura da junção do MOSFET.
Tc = ∂ID / ∂Tj
Portanto, quando examinamos a curva de características de transferência de um MOSFET em sua folha de dados, encontramos a corrente dreno-fonte do FET versus o aumento da tensão porta-fonte do FET, também descobrimos que esta característica é avaliada em 3 diferentes faixas de temperatura.
Coeficiente de temperatura zero (ZTC)
Se olharmos para o ponto representado pelo círculo laranja, isso é o que indicaríamos como o coeficiente de temperatura zero do MOSFET .
Neste ponto, mesmo que a temperatura da junção do dispositivo continue aumentando, não produz nenhum aumento na transferência de corrente através do FET.
∂ID/ ∂Tj = 0 , Onde euD é a corrente de drenagem do MOSFET, Tj representa a temperatura de junção do dispositivo
Se olharmos para a região sobre este coeficiente de temperatura zero (círculo laranja), conforme nos movemos do negativo -55 para 125 graus Celsius, a corrente através do FET realmente começa a cair.
∂ID/ ∂Tj <0
Esta situação é indicativa de que o MOSFET está realmente ficando mais quente, mas a potência dissipada pelo dispositivo está diminuindo. Isso significa que não há perigo de instabilidade para o dispositivo, e o superaquecimento do dispositivo pode ser permitido e, ao contrário dos BJTs, possivelmente não há risco de uma situação de fuga térmica.
Porém, em correntes na região abaixo do coeficiente de temperatura zero (círculo laranja), notamos a tendência, onde um aumento na temperatura do aparelho, ou seja, passando de -55 a 125 graus negativos, faz com que a capacidade de transferência de corrente de o dispositivo para realmente aumentar.
∂ID/ ∂Tj > 0
Isso ocorre devido ao fato de o coeficiente de temperatura do MOSFET estar nesses pontos maior que zero. Mas, por outro lado, um aumento na corrente através do MOSFET, causa um aumento proporcional no RDS do MOSFET (ligado) (resistência dreno-fonte) e também causa um aumento proporcional na temperatura corporal do dispositivo progressivamente, levando a mais corrente transferência através do dispositivo. Quando o MOSFET entra nesta região de um loop de feedback positivo, ele pode desenvolver uma instabilidade no comportamento do MOSFET.
No entanto, ninguém pode dizer se a situação acima pode acontecer ou não, e não há um design fácil para prever quando esse tipo de instabilidade pode surgir dentro do MOSFET.
Isso ocorre porque pode haver muitos parâmetros envolvidos com o MOSFET, dependendo de sua própria estrutura de densidade celular ou da flexibilidade do pacote para dissipar o calor uniformemente por todo o corpo do MOSFET.
Devido a essas incertezas, fatores como fuga térmica ou qualquer instabilidade térmica nas regiões indicadas devem ser confirmados para cada MOSFET em particular. Não, esses atributos do MOSFET não podem ser adivinhados simplesmente aplicando a equação de perda de potência máxima.
Por que SOA é tão crucial
As figuras SOA podem ser extremamente úteis em aplicações MOSFET onde o dispositivo é freqüentemente operado nas regiões de saturação.
Também é útil em troca quente ou aplicações de controlador Oring, onde se torna crucial saber exatamente quanta potência o MOSFET será capaz de tolerar, consultando seus gráficos SOA.
Praticamente, você descobrirá que os valores da área de operação segura do MOSFET tendem a ser muito úteis para a maioria dos consumidores que lidam com controle de motor, inversor / conversor ou produtos SMPS, onde o dispositivo normalmente é operado em condições extremas de temperatura ou sobrecarga.
Origens: Treinamento MOSFET , Área Operacional Segura
Anterior: Como funciona o IC LM337: folha de dados, circuitos de aplicação Próximo: Circuito Inversor Sinewave Classe D
