功率MOSFET安全工作区，真的安全吗？

作者/刘松(万国半导体元件(深圳)有限公司，上海 静安 200070)

　　摘要：本文论述了功率MOSFET数据表中安全工作区每条曲线的含义，详细说明最大的脉冲漏极电流的定义。分析了基于环境温度、最大允许结温和功耗计算的安全工作区不能作为实际应用中MOSFET是否安全的标准原因。特别说明了功率MOSFET完全工作在线性区或较长的时间工作在线性区的应用中，必须采用实测的安全工作区理由。

　　关键词：功率MOSFET;安全工作区;线性区;热电效应

　　0 引言

　　许多研发工程师经常会使用测量的工作波形来校核功率MOSFET的SOA曲线，例如：做电源的研发工程师，电源结构为反激或BUCK降压变换器，测量到功率MOSFET的电压和电流波形，然后根据电压、电流波形和工作的脉宽时间，在SOA曲线中描出对应的工作点，来校核工作点是否在SOA曲线的范围内，以此来判断功率MOSFET的工作是否安全。事实上，这样的校核方法并不正确，原因在于对于功率MOSFET的安全工作区曲线理解的偏差。本文将详细的介绍功率MOSFET数据表中安全区的定义，从而让工程师针对不同的应用，使用有效的方法校核其安全。

　　1 功率MOSFET安全工作区SOA曲线

　　功率MOSFET数据表中，安全工作区SOA曲线是正向偏置的安全工作区SOA曲线，即FBSOA曲线，那么这个安全工作区SOA曲线是如何定义的呢?这个曲线必须结合功率MOSFET的耐压、电流特性和热阻特性，来理解功率MOSFET的安全工作区SOA曲线。它定义了最大的漏源极电压值、漏极电流值，以保证器件在正向偏置时安全的工作，如图1所示。数据表中，功率MOSFET安全工作区SOA曲线有4条边界，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R_DS(ON)限制。因为在一定的V_GS的电压下，功率MOSFET都有一个确定的R_DS(ON)，因此：

　　V_DS=I_D·R_DS(ON)

　　这条斜线的斜率就是1/ R_DS(ON)。功率MOSFET数据表中，在不同的温度以及在不同的脉冲电流及脉冲宽度条件下，RDS(ON)的值都会不同，在实际的应用过程中，这条曲线的斜率因条件的不同而不同^[1]。

　　(2)安全工作区SOA曲线最右边的垂直边界，是最大的漏源极电压BV_DSS。BV_DSS是功率MOSFET数据表中所标称的最小值。同样的，在不同的测试条件下这个值也会不同，特别是采用更高的测试电流I_DSS时，名义的标称值就会偏高，而实际的工作范围就会减小^[2]。

　　(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I_DM的限制。这个值是一个测量值，如果使用最小脉冲宽度下的瞬态热阻值、最大的R_DS(ON)和允许的温升来计算，所得到最大漏极电流会比I_DM更高，因此也就不正确，对于特定范围的脉冲宽度，最大的脉冲漏极电流就定义为IDM^[3-4]。

　　(4)安全工作区SOA曲线右上方平行的一组斜线，是不同的单脉冲宽度下功率损耗的限制。R_DS(ON)限制的斜线和最大的脉冲漏极电流I_DM有一个交点，在这个交点的右边，不同的单脉冲宽度下的最大漏源极电流曲线都几乎工作在线性区，这一组曲线上的任何一点的电流和电压值，都是通过瞬态的热阻和允许的温升(功耗)所计算出来的。

　　其中，T_JMax为最高允许工作结温，150 ℃或者175 ℃，不同的产品定义不同。T_C为壳温，也就是封装铜衬底温度，通常是25 ℃。Z_qJC为归一化瞬态热阻，R_qJC为热阻。

　　功率MOSFET数据表中有归一化瞬态热阻曲线，通过上述公式，就可以将不同的单脉冲宽度下，V_DS和I_D的曲线作出来，因此功率MOSFET数据表中，安全工作区SOA曲线右上方平行的一组斜线都是计算值^[5]。

　　2 功率MOSFET实际工作条件

　　从上面的论述，功率MOSFET的安全工作区SOA曲线都是基于TC=25 ℃温度下的计算值，在实际的工作中，功率MOSFET的TC的温度，也就是器件下面铜皮的温度，绝对不可能为25 ℃，通常远远高于25 ℃，有些应用达到100 ℃~120 ℃，一些极端的应用甚至会更高，这样数据表中的安全工作区SOA曲线很难对实际的应用提供有用的参考价值。使用RJA折算成TA=25 ℃时的电流和电压值作出安全工作区SOA曲线，相对的可以对实际的应用提供一些参考。

　　采用行业内的标准使用计算的方法所得到的安全工作区SOA中间的功率曲线，由于大多工作在线性区，计算过程不可能考虑到功率MOSFET的热电效应。以前，功率MOSFET采用平面的结构，每个单元的间隔大，很少会产生局部的热集中，基于T_A=25 ℃的SOA曲线和实际的应用比较接近，偏差也较小。

　　由于技术不断的进步，目前通常采用沟槽以及隔离栅SGT技术，单元的密度急剧提高，单元和单元间的间距小，容易相互加热产生局部的热集中，导致内部的单元不平衡，热电效应的影响明显的增强，特别是在高压的时候，内部的电场外强度大，进一步增加热电效应。因此，使用线性区的功率损耗计算的安全工作区SOA曲线，和实际的应用偏差非常大^[6-7]。

　　对于大多开关电源和电力电子的应用，功率MOSFET工作在高频的开关状态，完全的导通或截止，米勒电容产生米勒平台的线性区，也就是产生开关损耗的区间，持续的时间非常短，通常是几个或几十个ns，因此使用测量到的功率MOSFET电压和电流的波形，在安全工作区SOA曲线的线性区描点，来校核功率MOSFET是否安全工作，这种方法并不正确，特别是在T_C=25 ℃的安全工作区SOA曲线中进行这样的校核完全没有意义。当功率MOSFET工作在高频的开关状态时，计算功率MOSFET的总体损耗，由热阻来校核结温，更有意义一些。

　　3 功率MOSFET的安全工作区SOA曲线分析

　　下面分析几个SOA曲线数据表中的例子，来进一步理解SOA曲线的定义。

　　3.1 AON6590

　　3.1.1 从安全工作区SOA曲线导通电阻RDS(ON)限制的斜率，来计算导通电阻：

　　R_DS(ON) = (0.1-0.03)/(60-20) = 0.00175 Ω

　　在数据表1中可以得到T_J=25 ℃时R_DS(ON)远小于安全工作区SOA曲线的计算值，因此它的取值应该是T_J=150 ℃时的值。

　　不同的公司在安全工作区SOA曲线中，导通电阻R_DS(ON)限制的斜线所采用的RDS(ON)的值，有些公司取T_J=25 ℃，有些公司取T_J=150 ℃，有些公司取T_J=175 ℃，而且对于相应的温度，取典型值还是最大值，也不相同。条件越严格，安全工作区SOA曲线的范围就越小。

　　3.1.2 如表2最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压，这条直线的定义比较简单，当然当测试条件不同时，额定电压的值也会不同。

　　3.1.3 最上面的电流水平线，由最大的脉冲漏极电流I_DM限制，安全工作区SOA曲线和数据表中的值都为400 A，基于T_C=25 ℃。

　　最低DC的电流水平线，SOA曲线和数据表中的值都为100 A，基于T_C=25 ℃。右上方平行的斜线组，列出了DC、不同的单脉冲宽度下，10 ms、1 ms、100 μs、10 μs的计算值斜线。

　　基于最高的结温的允许温升、热阻或瞬态热阻，那么最高的允许的功率就可以确定，对于一个确定的电压V_DS，就可以计算相应的电流I_D，这些斜线组相当于在T_C=25 ℃时，工作在线性区的功率限制的计算值。

　　3.2 IPB117N20NFD

　　如图3为IPB117N20NFD的安全工作区SOA曲线。

　　3.2.1 从安全工作区SOA曲线导通电阻R_DS(ON)限制的斜率，来计算导通电阻：

　　R_DS(ON) = (1-0.1)/(30-3) = 0.033 Ω

　　3.2.2 如表3最右边的垂直边界是功率MOSFET的额定电压200 V。

　　(3)如表4最上面的电流水平线，由最大的脉冲漏极电流IDM限制，安全工作区SOA曲线和数据表中的值都为336 A，基于T_C=25 ℃。

　　最低DC的电流水平线，安全工作区SOA曲线和数据表中的值都为84 A，基于T_C=25 ℃。右上方平行的斜线组，列出了DC、不同的单脉冲宽度下，10 ms、1 ms、100 μs、10 μs、1 μs的计算值斜线。

　　4 实测功率MOSFET的安全工作区SOA曲线

　　一些应用中，功率MOSFET完全工作在线性区或较长的时间工作在线性区，那么，为了保证功率MOSFET的可靠性，就要测量真正的安全工作区SOA曲线，以避免热电效应所产生的破坏。设计的时候，要保证有一定的裕量，从而保证系统的安全，如图4所示的IRFB4410的SOA曲线。

　　负载开关及热插拔较长时间工作在导通电阻的负温度系数区，分立MOSFET组成的LDO一直工作在负温度系数区，也就是上面所谓的线性区，这二种应用设计要特别小心^[6-7]。

　　5 结论

　　(1)功率MOSFET数据表中安全工作区的电压、电流的限制边界基于一定的测试条件，当测试条件改变时，其范围也不相同。

　　(2)功率MOSFET数据表中安全工作区是基于T_C=25 ℃温度下的计算值，和实际的工作条件相差太大，因此不能作为校核其是否工作安全的标准。

　　(3)功率MOSFET的安全工作区的线性区没有考虑热电效应，不能采用数据表中计算的安全工作区来校核其是否工作安全，因此在线性区的工作条件下要采用实测的安全工作区曲线。

　　参考文献

　　[1]刘松.理解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性.今日电子,2009(11):25-26.

　　[2]刘松.功率MOSFET额定电压BVDSS.今日电子,2017(7):23-24.

　　[3]刘松.脉冲漏极电流IDM及短路保护.今日电子,2018(1):21-23.

　　[4]刘松.理解功率MOSFET的电流.今日电子,2011(11):35-37.

　　[5]刘松.理解功率MOSFET热阻特性.今日电子,2017(12):30-31.

　　[6]刘松,陈均,林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响.电子技术应用,2010,12(36):72-74.

　　[7]刘松.应用于线性调节器的中压功率MOSFET的选择.今日电子,2012(2):36-38.

　　作者简介：

　　刘松，硕士，现任职于万国半导体元件(深圳)有限公司应用总监，主要研究方向：开关电源、电力电子以及功率元件的应用和研究工作，曾获得广东省科技进步二等奖一项，在各类学术期刊上发表学术论文60多篇。

本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第3期第45页，欢迎您写论文时引用，并注明出处