功率器件安全工作区的画法

功率器件的安全工作区

★功率器件一定要工作在安全工作区，否则在工作中一定会出现问题，那么安全工作区（SOA:SafeOperationArea)是如何确定的呢？★本文参考了网络的一些信息，但是信息比较乱，基本上没有系统地讲明白，所以本文想尽量把SOA讲明白。★SOA是功率器件工作时的“戒律清规”，违反了戒律清规就会出问题！安全工作区实例●图1是我司代理的西安龙腾650V/30mR高压超节MOSFET的安全工作区曲线（SOA）●我是老张的御用小魔仙●图1是怎么画出来的呢？●老张若理解错了，还请龙腾的弟兄纠正！SOA的框架分析●SOA的整个外框架由线段AB,BC,CD,DE及横竖坐标轴组成。图2

★这些线段包围的区域即为安全工作区SOA，功率器件的参数必须工作在这个区域内，否则要出问题！确定外框架之AB段●AB段是又功率器件的Idm和Rds(on)共同决定的，参数见图3，图4，图5。图3Idm=300A●Tj=25摄氏度时，即常温下为内阻最大值为0.03欧姆。●Tj=150度时，即最大节温下内阻为0.07欧姆。图4●图4中厂家给出了最大节温时的内阻，很多厂家没有给出这个值，那又怎么办呢？图5●图5是内阻随节温变化的曲线。●在节温150度时，内阻系数为2.38。●Tj=150度时，内阻=0.03x2.38=0.71。●说了那么多，从图3，图4，图5，我们得出如下信息：

•Idm=300A

•Rds(on)=0.07欧姆@Tj(max)=150度。●于是我们进行如下操作：

（一）计算B点坐标

300x0.07=21V

即B点坐标为(21,300)（式1）

(二）计算A点坐标

我们假设一个很小的电压，比如Vds=1V。

1/0.07=14.3A

即A点坐标为（1,14.3）（式2）图6根据(式1)和(式2)，红色的AB段就确定啦啦啦！即由内阻决定的SOA部分就确定啦！如何确定BC和DE段？★BC段和Idm相关，DE段和Vdss相关,Idm和BVdss的具体数值参考图7图7图8★以B点为起点，平行于横轴画一条射线。★以E点（650，0.1)为起点，平行于纵轴画一条射线。★剩下的事情就是确定C点和D点的坐标啦！功率器件的热阻曲线图9★功率器件的性能很大程度取决于温升，在同等散热条件下，温升取决于热阻！功率器件的节温和热阻图10总耗散功率★Ptot:总耗散功率★Ptot(Tc=25)=(Tjmax-Tc)/Rthjz(式3)★Rthjz=Rthjcx热阻系数(式4)★Tjmax就是器件的最高工作节温，Tc指的是器件的壳温，在这里Tjmax=150,Tc=25,即假设壳温处于常温条件下。热阻系数图11★由图1可知，CD段是在10uS的单脉冲条件下确定的。★从横轴上10uS(1E-5）处平行于纵轴画射线和单脉冲曲线相交于F点，F点的坐标为（

1E-5，0.0056）计算总耗散功率★根据式(4):Rthjz=Rthjcx热阻系数

=0.17x0.0056=0.000952摄氏度/W★根据式(3):Ptot(Tc=25)=

(Tjmax-Tc)/Rthjz

=

(150-25)/0.000952=131302W计算C,D点坐标★计算D点坐标：VdssxId=Ptot650xId=131302Id=202(A)即D点坐标为(650,202)★计算C点坐标VdssxId=PtotVdssx300=131302

Vdss=438(V)即C点坐标为(438,300)完成CD段边界★把C，D坐标代入，连接C，D两点，SOA图的外围框架就大功告成啦！！！★即完成了AB，BC，CD，DE段。★即在10uS单脉冲及Tc=25的条件下，功率器件应工作在A，B，C，D，E确定的区域内。再次提出问题图12图中GH线段（单脉冲宽度为100uS）是如何确定的呢？？？让我们再次借助热阻曲线★我们依葫芦画瓢，从横轴(1E-4)处平行于纵轴画射线和单脉冲曲线相交于K点。★从K点平行于横轴画射线和纵轴相交。★从热阻曲线可以读出k点坐标为(1E-4,0.042)图13让我们再次计算Ptot★根据式(4):Rthjz=Rthjcx热阻系数

=0.17x0.042=0.00714摄氏度/W★根据式(3):Ptot(Tc=25)=

(Tjmax-Tc)/Rthjz

=

(150-25)/0.00714=17507W计算G,H点坐标★计算H点坐标：VdssxId=Ptot650xId=17507Id=27(A)即H点坐标为(650,27)★计算G点坐标VdssxId=PtotVdssx300=17507

Vdss=58(V)即G点坐标为(58,300)SOA区域的改变在Tc=25摄氏度，单脉冲为100uS条件下：SOA区域改变为A，B，G，H，E决定的区域！图14再次提出问题★通常情况下，功率器件在工作时其外壳温度远远高于Tc=25摄氏度的常温，假如在Tc=100摄氏度的时候如何画SOA呢???变量与不变量●在温升改变的时候：★Rds(on)最大值不会改变★Vdss不会改变★Idm不会改变★Ptot会改变

Ptot随温升改变★壳温Tc下，Ptot(Tc)满足：

式(5)★我们知道，Tc=25摄氏度且单脉冲为100uS时，Ptot=17507W★那么Tc=100摄氏度时：Ptot=17507x[(150-100)/(150-25)]Ptot=7003WTc=100,单脉冲为100uS的SOA●假设新的线段为MN★计算N点坐标：VdssxId=Ptot650xId=7003

Id=10.8(A)即N点坐标为(650,10.8)★计算M点坐标VdssxId=PtotVdssx300=7003

Vdss=24(V)即M点坐标为(24,300)图15★Tc=100摄氏度★单脉冲为100uS。★SOA区域由A，B，M，N，E确定。继续提出问题★连续电流条件下，即直流条件下

怎么确定SOA？图16连续电流的SOA图17★图17中，线段PQ就是连续电流（直流）条件下的SOA边界线。★连续电流条件下，我们可以认为脉冲占空比为1，将热阻系数也看作1。★从规格书上可以知道，Tc=25摄氏度时，Id=100A,见图16。★线段PQ是怎么画出来的呢？

连续电流条件下的Ptot★根据式（4），式（3），式（5）：•Rthjz=Rthjcx热阻系数

Rthjz=0.17x1•Ptot(Tc=25)=(Tjmax-Tc)/Rthjz

Ptot(Tc=25)=(150-25)/0.17

Ptot(Tc=25)=735W★“735”这个数字似曾相识？★见图16★此时Ptot=Pd计算线段的两个端点★假设线段的两个端点为P,Q.•计算Q点坐标：

650xId=735

Id=1.13A

即Q点坐标为(650,1.13)•计算P点坐标:

Vdssx100=735

Vdss=7.35V

即P点坐标为(7.35,100)

画出直流条件下的SOA图18★如图18★由蓝色线段及红色线段围成的区域就是直流条件（Tc=25摄氏度）下的SOA啦！说说其它★器件如果没有工作于SOA，并不意味着不能工作或者损坏。但是长时间工作于SOA区域外，肯定意味着失效的风险，所以选型及设计的