MOS管SOA分析

我們知道開關電源中MOSFET、IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開關器件長期工作于高電壓大電流狀態，承受著很大的功耗，一但過壓或過流就會導致功耗大增，晶圓結溫急劇上升，如果散熱不及時，就會導致器件損壞，甚至可能會伴隨爆炸，非常危險。

熟悉和正確使用MOS管SOA分析情況，可以極大限度地提高開關器件的穩定性和延長使用壽命。

 什么是SOA？

SOA（Safe operating area）是指安全工作區，由一系列限制條件組成的一個漏源極電壓VDS和漏極電流ID的二維坐標圖，開關器件正常工作時的電壓和電流都不應該超過該限定范圍。

圖1 SOA曲線示意圖

對于功率半導體器件，能夠安全、可靠地進行工作的電流和電壓范圍，稱為安全工作區，超過此范圍的電流和電壓工作時器件會發生損壞，容易引發電力電子裝置破壞性問題。任何功率半導體器件都需要給出安全工作區，一方面衡量器件的性能，同時為正確使用器件和設計電路參數提供依據。

開關器件的數據手冊中幾乎都能找到SOA的身影。

 SOA相關要點

SOA的限定范圍通常由最大漏極電流ID(max)或最大漏極脈沖電流IDM、 最大漏源電壓VD(MAX)、最大允許耗散功率PD(MAX)或最大脈沖耗散功率PDM、導通電阻RDS(on)共同決定的。

功率MOSFET的安全工作區SOA曲線，通常有4條邊界組成，分別說明如下：

1、安全工作區SOA曲線左上方的邊界斜線，受功率MOSFET的導通電阻RDS(ON)限制。

圖2 SOA受RDS(ON)的限制

因為在固定的VGS電壓和環境條件下，功率MOSFET的RDS(ON)是固定的，因此這條斜線的斜率為1/R(DS(ON))。則VDS與ID對應關系如下式：

在MOSFET的數據手冊中，可以找到RDS(ON)值的定義和范圍，如下圖所示：

圖3 數據手冊中的RDS(ON)

2、安全工作區SOA曲線最右邊的垂直邊界，是受最大的漏源極電壓BVDSS的限制，即漏源擊穿電壓。

圖4 SOA受BVDSS的限制

漏源擊穿電壓BVDSS限制了器件工作的最大電壓范圍，在功率MOSFET正常工作中，若漏極和源極之間的電壓過度增高，PN結反偏發生雪崩擊穿，為保障器件安全，在關斷過程及其穩態下必須承受的漏極和源極間最高電壓應低于漏源擊穿電壓BVDSS。

漏源擊穿電壓BVDSS是功率MOSFET數據表中所標稱的最小值。如下圖所示：

圖5 數據手冊中的BVDSS

3、安全工作區SOA曲線最上面水平線，受最大的脈沖漏極電流IDM（或連續漏極電注ID）的限制。

圖6 SOA受IDM的限制

有些SOA曲線會分別標注DC和脈沖模式下的曲線，需要注意的是IDM是脈沖工作狀態的最大電流，通常最大漏極脈沖電流IDM為連續漏極電流ID的3到4倍，因此脈沖電流要遠高于連續的直流電流。IDM和ID在數據手冊中的定義如下：

圖7 數據手冊中的ID和IDM

4、安全工作區SOA曲線右上方平行的一組斜線，是DC和不同的單脈沖寬度下功率損耗的限制。

圖8 SOA受功率損耗的限制

MOS管SOA分析，MOSFET的數據表中通常都提供了PD值，PD值為DC直流狀態下的最大損耗功率，如下圖所示：

圖9 數據手冊中的PD

不同脈沖寬度下的最大損耗功率PDM通常需要計算得到。

DC時的最大損耗功率PD的計算公式為：

其中Tjmax為最大結溫，TC為殼溫，RθJC為穩態熱阻，這三個值在數據手冊中都可以查到。

不同脈沖寬度時的脈沖耗散功率PDM的計算公式為：

其中Tjmax為最大結溫，TC為殼溫，ZθJC為歸一化瞬態熱阻系數，RθJC為穩態熱阻。ZθJC可以在MOSFET的數據手冊中的脈沖寬度與ZθJC的曲線圖中查到，因此可以通過脈沖寬度來計算出PDM。

圖10 脈沖寬度與歸一化瞬態熱阻關系圖

SOA注意事項

功率MOSFET數據手冊中，相關極限參數和安全工作區SOA曲線都是基于工作溫度TC =25 ℃下的計算值。

例如，一款MOS管的BVDSS為600V，但這個600V是在25℃的值，如果工作在-25℃時，則BVDSS可能只有550V。如下圖所示：

圖11 不同溫度下的BVDSS

在實際的工作中，功率MOSFET的TC溫度，絕對不可能為25 ℃，通常遠遠高于25 ℃，因此在實際設定和使用SOA時，一定要根據實際條件來對SOA限定條件進行修正和降額。

例如，在不同的工作溫度、不同的脈沖電流或脈沖寬度條件下，RDS(ON)的值都會不同。在功率MOSFET的數據手冊中通常都提供了溫度-RDS(ON)的特征曲線圖，如下圖所示：

圖12 溫度-RDS(ON)關系圖

從RDS(ON)與溫度的關系曲線可見，當結溫從25℃升高到110℃，導通電阻提高了一倍，溫度越高，RDS(ON)所限制的安全工作區縮小，所以在實際應用中需要用特定工作環境下的導通電阻限定安全工作區。

同樣，ID(max)、VD(MAX)和PD(MAX)都需要根據實際工作的環境條件進行降額和修正。

 SOA實測

MOS管SOA分析，示波器的SOA測試應用非常簡單，使用電壓、電流探頭正常測試開關管的VDS和IDM，打開SOA分析功能，對照數據手冊的SOA數據設置好示波器的SOA參數即可。

以22N60N這款MOSFET為例，我們查看數據手冊，連續工作模式的相關參數如下：

圖13 FCP22N60N數據手冊

我們來設置示波器的SOA參數，BVDSS對應于“電壓限定值”，ID對應于“電流限定值”，PD對應于“功率限定值”，RDS(ON)對應于“Rds(on)限定值”，同時設置合適的電壓電流坐標范圍（即電壓電流最大值和最小值），參數設置界面如下圖所示：

圖14 參數設置界面

示波器生成的SOA模板，可以與MOSFET數據手冊中的相應條件的SOA進行對比，如下圖所示。當然在實際使用中，還是需要根據當前環境和工作條件對SOA限定區域條件進行降額和修正。

圖15 SOA模板與數據手冊中SOA對比

ZDS4000示波器的最新的SOA功能還提供了如下測試功能：

創新性地支持脈沖寬度Tp的參數設置，測試時會判定脈沖寬度是否達到Tp時間值；

支持導通電阻Rdson的參數設置，影響SOA模板的內阻限定區域；

支持連續測試，并統計通過及失敗的總數次，該模式可用于連續烤機測試；

支持觸碰（波形超出安全區域）停止、自動截圖、聲音提示操作；

安全工作區可通過電壓、電流、功率限制設定，也可通過多坐標點自定義設定；

安全工作區支持對數坐標和線性坐標顯示。