2019年07月31日 | 科普文章—板子上的MOS管真的能持续安全工作吗？

板子上的功率MOS管是否能持续安全工作，是设计者最担心的问题。炸机、用着用着就坏了、莫名其妙MOS管就炸了，工程师遇到这些真是又怕又恨，可到底是哪里出问题了呢？这一切其实都和SOA有关。

我们知道开关电源中MOSFET、IGBT是最核心也是最容易烧坏的器件。开关器件长期工作于高电压大电流状态，承受着很大的功耗，一但过压或过流就会导致功耗大增，晶圆结温急剧上升，如果散热不及时，就会导致器件损坏，甚至可能会伴随爆炸，非常危险。

熟悉和正确使用SOA，可以极大限度地提高开关器件的稳定性和延长使用寿命。

  什么是SOA？

SOA（Safe operating area）是指安全工作区，由一系列限制条件组成的一个漏源极电压VDS和漏极电流ID的二维坐标图，开关器件正常工作时的电压和电流都不应该超过该限定范围。

图1 SOA曲线示意图

对于功率半导体器件，能够安全、可靠地进行工作的电流和电压范围，称为安全工作区，超过此范围的电流和电压工作时器件会发生损坏，容易引发电力电子装置破坏性问题。任何功率半导体器件都需要给出安全工作区，一方面衡量器件的性能，同时为正确使用器件和设计电路参数提供依据。

开关器件的数据手册中几乎都能找到SOA的身影。

  SOA相关要点

SOA的限定范围通常由最大漏极电流ID(max)或最大漏极脉冲电流IDM、 最大漏源电压VD(MAX)、最大允许耗散功率PD(MAX)或最大脉冲耗散功率PDM、导通电阻RDS(on)共同决定的。

功率MOSFET的安全工作区SOA曲线，通常有4条边界组成，分别说明如下：

1、安全工作区SOA曲线左上方的边界斜线，受功率MOSFET的导通电阻RDS(ON)限制。

图2 SOA受RDS(ON)的限制

因为在固定的VGS电压和环境条件下，功率MOSFET的RDS(ON)是固定的，因此这条斜线的斜率为1/R(DS(ON))。则VDS与ID对应关系如下式：

在MOSFET的数据手册中，可以找到RDS(ON)值的定义和范围，如下图所示：

图3 数据手册中的RDS(ON)

2、安全工作区SOA曲线最右边的垂直边界，是受最大的漏源极电压BVDSS的限制，即漏源击穿电压。

图4 SOA受BVDSS的限制

漏源击穿电压BVDSS限制了器件工作的最大电压范围，在功率MOSFET正常工作中，若漏极和源极之间的电压过度增高，PN结反偏发生雪崩击穿，为保障器件安全，在关断过程及其稳态下必须承受的漏极和源极间最高电压应低于漏源击穿电压BVDSS。

漏源击穿电压BVDSS是功率MOSFET数据表中所标称的最小值。如下图所示：

图5 数据手册中的BVDSS

3、安全工作区SOA曲线最上面水平线，受最大的脉冲漏极电流IDM（或连续漏极电注ID）的限制。

图6 SOA受IDM的限制

有些SOA曲线会分别标注DC和脉冲模式下的曲线，需要注意的是IDM是脉冲工作状态的最大电流，通常最大漏极脉冲电流IDM为连续漏极电流ID的3到4倍，因此脉冲电流要远高于连续的直流电流。IDM和ID在数据手册中的定义如下：

图7 数据手册中的ID和IDM

4、安全工作区SOA曲线右上方平行的一组斜线，是DC和不同的单脉冲宽度下功率损耗的限制。

图8 SOA受功率损耗的限制

MOSFET的数据表中通常都提供了PD值，PD值为DC直流状态下的最大损耗功率，如下图所示：

图9 数据手册中的PD

不同脉冲宽度下的最大损耗功率PDM通常需要计算得到。

DC时的最大损耗功率PD的计算公式为：

其中Tjmax为最大结温，TC为壳温，RθJC为稳态热阻，这三个值在数据手册中都可以查到。

不同脉冲宽度时的脉冲耗散功率PDM的计算公式为：

其中Tjmax为最大结温，TC为壳温，ZθJC为归一化瞬态热阻系数，RθJC为稳态热阻。ZθJC可以在MOSFET的数据手册中的脉冲宽度与ZθJC的曲线图中查到，因此可以通过脉冲宽度来计算出PDM。

图10 脉冲宽度与归一化瞬态热阻关系图

  SOA注意事项

功率MOSFET数据手册中，相关极限参数和安全工作区SOA曲线都是基于工作温度TC =25 ℃下的计算值。

例如，一款MOS管的BVDSS为600V，但这个600V是在25℃的值，如果工作在-25℃时，则BVDSS可能只有550V。如下图所示：

图11 不同温度下的BVDSS

在实际的工作中，功率MOSFET的TC温度，绝对不可能为25 ℃，通常远远高于25 ℃，因此在实际设定和使用SOA时，一定要根据实际条件来对SOA限定条件进行修正和降额。

例如，在不同的工作温度、不同的脉冲电流或脉冲宽度条件下，RDS(ON)的值都会不同。在功率MOSFET的数据手册中通常都提供了温度-RDS(ON)的特征曲线图，如下图所示：

图12 温度-RDS(ON)关系图

从RDS(ON)与温度的关系曲线可见，当结温从25℃升高到110℃，导通电阻提高了一倍，温度越高，RDS(ON)所限制的安全工作区缩小，所以在实际应用中需要用特定工作环境下的导通电阻限定安全工作区。

同样，ID(max)、VD(MAX)和PD(MAX)都需要根据实际工作的环境条件进行降额和修正。

  SOA实测

示波器的SOA测试应用非常简单，使用电压、电流探头正常测试开关管的VDS和IDM，打开SOA分析功能，对照数据手册的SOA数据设置好示波器的SOA参数即可。

以FCP22N60N这款MOSFET为例，我们查看数据手册，连续工作模式的相关参数如下：

图13 FCP22N60N数据手册

我们来设置示波器的SOA参数，BVDSS对应于“电压限定值”，ID对应于“电流限定值”，PD对应于“功率限定值”，RDS(ON)对应于“Rds(on)限定值”，同时设置合适的电压电流坐标范围（即电压电流最大值和最小值），参数设置界面如下图所示：

图14 参数设置界面

示波器生成的SOA模板，可以与MOSFET数据手册中的相应条件的SOA进行对比，如下图所示。当然在实际使用中，还是需要根据当前环境和工作条件对SOA限定区域条件进行降额和修正。

图15 SOA模板与数据手册中SOA对比

ZDS4000示波器的最新的SOA功能还提供了如下测试功能：

创新性地支持脉冲宽度Tp的参数设置，测试时会判定脉冲宽度是否达到Tp时间值；

支持导通电阻Rdson的参数设置，影响SOA模板的内阻限定区域；

支持连续测试，并统计通过及失败的总数次，该模式可用于连续烤机测试；

支持触碰（波形超出安全区域）停止、自动截图、声音提示操作；

安全工作区可通过电压、电流、功率限制设定，也可通过多坐标点自定义设定；

安全工作区支持对数坐标和线性坐标显示。

图16 示波器SOA实测