功率MOSFET安全工作區(qū)，真的安全嗎？

摘要：本文論述了功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全工作區(qū)每條曲線的含義，詳細說明最大的脈沖漏極電流的定義。分析了基于環(huán)境溫度、最大允許結溫和功耗計算的安全工作區(qū)不能作為實際應用中MOSFET是否安全的標準原因。特別說明了功率MOSFET完全工作在線性區(qū)或較長的時間工作在線性區(qū)的應用中，必須采用實測的安全工作區(qū)理由。

關鍵詞：功率MOSFET;安全工作區(qū);線性區(qū);熱電效應.

0 引言

許多研發(fā)工程師經(jīng)常會使用測量的工作波形來校核功率MOSFET的SOA曲線，例如：做電源的研發(fā)工程師，電源結構為反激或BUCK降壓變換器，測量到功率MOSFET的電壓和電流波形，然后根據(jù)電壓、電流波形和工作的脈寬時間，在SOA曲線中描出對應的工作點，來校核工作點是否在SOA曲線的范圍內，以此來判斷功率MOSFET的工作是否安全。事實上，這樣的校核方法并不正確，原因在于對于功率MOSFET的安全工作區(qū)曲線理解的偏差。本文將詳細的介紹功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全區(qū)的定義，從而讓工程師針對不同的應用，使用有效的方法校核其安全。

1 功率MOSFET安全工作區(qū)SOA曲線

功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，安全工作區(qū)SOA曲線是正向偏置的安全工作區(qū)SOA曲線，即FBSOA曲線，那么這個安全工作區(qū)SOA曲線是如何定義的呢？這個曲線必須結合功率MOSFET的耐壓、電流特性和熱阻特性，來理解功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線。它定義了最大的漏源極電壓值、漏極電流值，以保證器件在正向偏置時安全的工作，如圖1所示。數(shù)據(jù)表中，功率MOSFET安全工作區(qū)SOA曲線有4條邊界，分別說明如下。

（1）安全工作區(qū)SOA曲線左上方的邊界斜線，受功率MOSFET的導通電阻R_DS（ON）限制。因為在一定的Vss的電壓下，功率MOSFET都有一個確定的R_DS（ON），因此：

公式

這條斜線的斜率就是1/R_DS（ON）。功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，在不同的溫度以及在不同的脈沖電流及脈沖寬度條件下，R_DS（ON）的值都會不同，在實際的應用過程中，這條曲線的斜率因條件的不同而不同。

（2）安全工作區(qū)SOA曲線最右邊的垂直邊界，是最大的漏源極電壓BV_DSS。BV_DSS是功率MOSFET數(shù)據(jù)表中所標稱的最小值。同樣的，在不同的測試條件下這個值也會不同，特別是采用更高的測試電流l_DSS時，名義的標稱值就會偏高，而實際的工作范圍就會減小。

（3）安全工作區(qū)SOA曲線最上面水平線，受最大的脈沖漏極電流I_DM的限制。這個值是一個測量值，如果使用最小脈沖寬度下的瞬態(tài)熱阻值、最大的R_DS（ON）和允許的溫升來計算，所得到最大漏極電流會比I_DM更高，因此也就不正確，對于特定范圍的脈沖寬度，最大的脈沖漏極電流就定義為I_DM。

（4）安全工作區(qū)SOA曲線右上方平行的一組斜線，是不同的單脈沖寬度下功率損耗的限制。R_DS（ON）限制的斜線和最大的脈沖漏極電流I_DM有一個交點，在這個交點的右邊，不同的單脈沖寬度下的最大漏源極電流曲線都幾乎工作在線性區(qū)，這一組曲線上的任何一點的電流和電壓值，都是通過瞬態(tài)的熱阻和允許的溫升（功耗）所計算出來的。

公式

其中，T_JMax為最高允許工作結溫，150C或者175C，不同的產(chǎn)品定義不同。T為殼溫，也就是封裝銅襯底溫度，通常是25C。Z_JC為歸一化瞬態(tài)熱阻，R_JC為熱阻。

功率MOSFET數(shù)據(jù)表中有歸一化瞬態(tài)熱阻曲線，通過上述公式，就可以將不同的單脈沖寬度下，V_DS和I_D的曲線作出來，因此功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，安全工作區(qū)SOA曲線右上方平行的一組斜線都是計算值。

2 功率MOSFET實際工作條件

從上面的論述，功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線都是基于T_c=25C溫度下的計算值，在實際的工作中，功率MOSFET的TC的溫度，也就是器件下面銅皮的溫度，絕對不可能為25C，通常遠遠高于25C，有些應用達到100C～120C，一些極端的應用甚至會更高，這樣數(shù)據(jù)表中的安全工作區(qū)SOA曲線很難對實際的應用提供有用的參考價值。使用R_JA折算成T=25C時的電流和電壓值作出安全工作區(qū)SOA曲線，相對的可以對實際的應用提供一些參考。

采用行業(yè)內的標準使用計算的方法所得到的安全工作區(qū)SOA中間的功率曲線，由于大多工作在線性區(qū)，計算過程不可能考慮到功率MOSFET的熱電效應。以前，功率MOSFET采用平面的結構，每個單元的間隔大，很少會產(chǎn)生局部的熱集中，基于T_A=25C的SOA曲線和實際的應用比較接近，偏差也較小。

由于技術不斷的進步，目前通常采用溝槽以及隔離柵SGT技術，單元的密度急劇提高，單元和單元間的間距小，容易相互加熱產(chǎn)生局部的熱集中，導致內部的單元不平衡，熱電效應的影響明顯的增強，特別是在高壓的時候，內部的電場外強度大，進一步增加熱電效應。因此，使用線性區(qū)的功率損耗計算的安全工作區(qū)SOA曲線，和實際的應用偏差非常大。

對于大多開關電源和電力電子的應用，功率MOSFET工作在高頻的開關狀態(tài)，完全的導通或截止，米勒電容產(chǎn)生米勒平臺的線性區(qū)，也就是產(chǎn)生開關損耗的區(qū)間，持續(xù)的時間非常短，通常是幾個或幾十個ns，因此使用測量到的功率MOSFET電壓和電流的波形，在安全工作區(qū)SOA曲線的線性區(qū)描點，來校核功率MOSFET是否安全工作，這種方法并不正確，特別是在T_C=25C的安全工作區(qū)SOA曲線中進行這樣的校核完全沒有意義。當功率MOSFET工作在高頻的開關狀態(tài)時，計算功率MOSFET的總體損耗，由熱阻來校核結溫，更有意義一些。

3 功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線分析

下面分析幾個SOA曲線數(shù)據(jù)表中的例子，來進一步理解SOA曲線的定義。

3.1 AON6590

3.1.1 從安全工作區(qū)SOA曲線導通電阻R_DS（ON）限制的斜率，來計算導通電阻：

R_DS（ON）=（0.1-0.03）/（60-20）=0.00175

在數(shù)據(jù)表1中可以得到T_J=25C時R_DS（ON）遠小于安全工作區(qū)SOA曲線的計算值，因此它的取值應該是T_J=150C時的值。

不同的公司在安全工作區(qū)SOA曲線中，導通電阻RDS（ON）限制的斜線所采用的RpsoN的值，有些公司取T_J=25C，有些公司取T_J=150C，有些公司取T_J=175C，而且對于相應的溫度，取典型值還是最大值，也不相同。條件越嚴格，安全工作區(qū)SOA曲線的范圍就越小。

3.1.2 如表2最右邊的垂直邊界是功率MOSFET的額定電壓，這條直線的定義比較簡單，當然當測試條件不同時，額定電壓的值也會不同。

3.1.3 最上面的電流水平線，由最大的脈沖漏極電流I_DM限制，安全工作區(qū)SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為400A，基于T_C=25°C。

最低DC的電流水平線，SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為100A，基于T_C=25C。右上方平行的斜線組，列出了DC、不同的單脈沖寬度下，10ms、1ms、100μs、10μs的計算值斜線。

基于最高的結溫的允許溫升、熱阻或瞬態(tài)熱阻，那么最高的允許的功率就可以確定，對于一個確定的電壓Vos，就可以計算相應的電流lp，這些斜線組相當于在T_C=25C時，工作在線性區(qū)的功率限制的計算值。

3.2 IPB117N20NFD

如圖3為IPB117N20NFD的安全工作區(qū)SOA曲線。

3.2.1 從安全工作區(qū)SOA曲線導通電阻R_DS（ON）限制的斜率，來計算導通電阻：

R_DS（ON）=（1-0.1）/（30-3）=0.0333

3.2.2如表3最右邊的垂直邊界是功率MOSFET的額定電壓200V。

（3）如表4最上面的電流水平線，由最大的脈沖漏極電流lm限制，安全工作區(qū)SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為336A，基于T_C=25C。

最低DC的電流水平線，安全工作區(qū)SOA曲線和數(shù)據(jù)表中的值都為84A，基于T_C=25C。右上方平行的斜線組，列出了DC、不同的單脈沖寬度下，10ms、1ms、100μs、10μs、1μs的計算值斜線。

4 實測功率MOSFET的安全工作區(qū)SOA曲線

一些應用中，功率MOSFET完全工作在線性區(qū)或較長的時間工作在線性區(qū)，那么，為了保證功率MOSFET的可靠性，就要測量真正的安全工作區(qū)SOA曲線，以避免熱電效應所產(chǎn)生的破壞。設計的時候，要保證有一定的裕量，從而保證系統(tǒng)的安全，如圖4所示的IRFB4410的SOA曲線。

負載開關及熱插拔較長時間工作在導通電阻的負溫度系數(shù)區(qū)，分立MOSFET組成的LDO一直工作在負溫度系數(shù)區(qū)，也就是上面所謂的線性區(qū)，這二種應用設計要特別小心。

5 結論

（1）功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全工作區(qū)的電壓、電流的限制邊界基于一定的測試條件，當測試條件改變時，其范圍也不相同。

（2）功率MOSFET數(shù)據(jù)表中安全工作區(qū)是基于T_C=25C溫度下的計算值，和實際的工作條件相差太大，因此不能作為校核其是否工作安全的標準。

（3）功率MOSFET的安全工作區(qū)的線性區(qū)沒有考慮熱電效應，不能采用數(shù)據(jù)表中計算的安全工作區(qū)來校核其是否.工作安全，因此在線性區(qū)的工作條件下要采用實測的安全工作區(qū)曲線。

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