MOS管安全工作區(qū)（SOA）分析-如何確保MOS管工作在安全區(qū)-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2019-05-07
mos管是金屬(metal)、氧化物(oxide)、半導(dǎo)體(semiconductor)場效應(yīng)晶體管，或者稱是金屬—絕緣體(insulator)、半導(dǎo)體。MOS管的source和drain是可以對調(diào)的，他們都是在P型backgate中形成的N型區(qū)。在多數(shù)情況下，這個兩個區(qū)是一樣的，即使兩端對調(diào)也不會影響器件的性能。這樣的器件被認為是對稱的。
電源工程師最怕什么?炸機!用著用著就壞了，莫名其妙MOS管就炸了，真是又怕又恨，可到底是哪里出問題了呢?這一切都和SOA相關(guān)。
我們知道開關(guān)電源中MOSFET、 IGBT是最核心也是最容易燒壞的器件。開關(guān)器件長期工作于高電壓大電流狀態(tài)，承受著很大的功耗，一但過壓或過流就會導(dǎo)致功耗大增，晶圓結(jié)溫急劇上升，如果散熱不及時，就會導(dǎo)致器件損壞，甚至可能會伴隨爆炸，非常危險。這里就衍生一個概念，安全工作區(qū)。
安全工作區(qū)：SOA(Safe operating area)是由一系列(電壓，電流)坐標點形成的一個二維區(qū)域，開關(guān)器件正常工作時的電壓和電流都不會超過該區(qū)域。簡單的講，只要器件工作在SOA區(qū)域內(nèi)就是安全的，超過這個區(qū)域就存在危險。
功率MOS管的安全工作區(qū)（SOA）受最大漏源電壓VDSmax ，最大漏極電流IDmax ，最大允許功耗Pmax和導(dǎo)通電阻Ron4個參數(shù)的限制。其中VDSmax 即為漏源擊穿電壓VBR，IDmax即為漏極飽和電流IDsat，而Pmax則由溫度及熱阻決定，可表示為：
式中：Tjmax為最高工作結(jié)溫；TC為環(huán)境溫度；Rthjc為熱阻，由散熱方式?jīng)Q定。當器件工作時，所產(chǎn)生的熱量和散熱器所散發(fā)的熱量相等，處于熱平衡態(tài)。當TC升高，散熱器的散熱效率降低，導(dǎo)致 P max 減小。根據(jù)上述分析可知，T升高，Ron增大，IDmax 減小，VDSmax 增大，Pmax減小。 圖3示出功率MOSFET的SOA示意圖。
由圖可見，與功率晶體管相比，功率MOSFET 雖不存在由雙極晶體管過熱引起的二次擊穿現(xiàn)象， SOA 相對較寬，但在高溫下，功率MOSFET的SOA縮小，允許通過的最大電流下降。所以，使用時要注意將功率 MOSFET 的漏極電流控制在SOA內(nèi)，否則會導(dǎo)致器件失效。
開關(guān)器件的各項參數(shù)在數(shù)據(jù)手冊中都會明確標注，這里我們先來解讀兩個參數(shù)：
lVDS(Drain-source voltage)：漏源電壓標稱值，反應(yīng)的是漏源極能承受的最大的電壓值;
lIDM(Drain current(pulsed))：漏源最大單脈沖電流(非重復(fù)脈沖)，反應(yīng)的是漏源極可承受的單次脈沖電流強。
開關(guān)器件參數(shù)表
器件手冊一般都會提供SOA(Safe operating area)數(shù)據(jù)圖表，主要和晶圓的散熱、瞬間電壓和電流的承受能力有關(guān)，通過IDM和VDS及器件晶圓溝道損耗的限制形成一個工作區(qū)域，稱為安全工作區(qū)，如下圖所示。安全工作區(qū)可以避免管子因結(jié)溫過高而損壞。
器件手冊 SOA 曲線圖
示波器的測試應(yīng)用非常簡單，使用電壓、電流探頭正常測試開關(guān)管的VDS和IDM，并打開SOA分析功能，對照數(shù)據(jù)手冊的SOA數(shù)據(jù)設(shè)置好示波器的SOA參數(shù)即可。一但波形觸碰到安全區(qū)以外的區(qū)域，就說明器件超額工作，存在危險。
1、支持連續(xù)測試，并統(tǒng)計通過及失敗的總數(shù)次，該模式可用于連續(xù)烤機測試。
2、支持觸碰(波形超出安全區(qū)域)停止、自動截圖、聲音提示操作。
3、安全工作區(qū)可通過電壓、電流、功率限制設(shè)定，也可自定義設(shè)定。
示波器SOA測試波形圖
開關(guān)器件的安全工作區(qū)是一項非常重要的參數(shù)，通過示波器的SOA分析功能，可以快速有效的確定器件的工作是否安全，確保產(chǎn)品安全可靠。
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