Säkert driftområde

För krafthalvledarenheter (som BJT , MOSFET , tyristor eller IGBT ) definieras det säkra driftsområdet (SOA) som de spännings- och strömförhållanden under vilka enheten kan förväntas fungera utan självskada.

SOA presenteras vanligtvis i transistordatablad som en graf med V CE (kollektor-emitterspänning) på abskissan och I CE (kollektor-emitterström) på ordinatan ; det säkra "området" som syftar på området under kurvan. SOA-specifikationen kombinerar enhetens olika begränsningar - maximal spänning, ström, effekt, korsningstemperatur , sekundärt genombrott - i en kurva, vilket möjliggör en förenklad design av skyddskretsar.

Illustration av säkert arbetsområde för en bipolär krafttransistor. Alla kombinationer av kollektorström och spänning under linjen kan tolereras av transistorn.

Utöver det kontinuerliga betyget ritas ofta separata SOA-kurvor även för kortvariga pulsförhållanden (1 ms puls, 10 ms puls, etc.).

Kurvan för säker driftområde är en grafisk representation av enhetens krafthanteringsförmåga under olika förhållanden. SOA-kurvan tar hänsyn till trådbindningsströmförande förmåga, transistorövergångstemperatur, intern effektförlust och sekundära genombrottsbegränsningar.

Gränser för det säkra operationsområdet

Där både ström och spänning plottas på logaritmiska skalor , är gränserna för SOA raka linjer:

  1. I C = I C max — strömgräns
  2. V CE = V CE max — spänningsgräns
  3. I C V CE = Pmax — förlustgräns, termiskt genombrott
  4. I C V CE α = const — detta är gränsen som ges av det sekundära genombrottet (endast bipolära övergångstransistorer)

SOA-specifikationer är användbara för konstruktören som arbetar med strömkretsar som förstärkare och strömförsörjning eftersom de möjliggör snabb bedömning av gränserna för enhetens prestanda, utformningen av lämpliga skyddskretsar eller val av en mer kapabel enhet. SOA-kurvor är också viktiga vid utformningen av hopfällbara kretsar.

Sekundärt sammanbrott

För en enhet som använder den sekundära nedbrytningseffekten, se Avalanche-transistor

Sekundärt genombrott är ett felläge i bipolära krafttransistorer. I en krafttransistor med en stor kopplingsarea, under vissa förhållanden av ström och spänning, koncentreras strömmen till en liten plats i bas-emitterövergången. Detta orsakar lokal uppvärmning, som utvecklas till en kortslutning mellan kollektor och emitter. Detta leder ofta till att transistorn förstörs. Sekundärt haveri kan inträffa både med framåt- och backdrivning. Förutom vid låga kollektor-emitterspänningar begränsar den sekundära genombrottsgränsen kollektorströmmen mer än enhetens stationära effektförlust. Äldre MOSFET-enheter uppvisade inte sekundärt haveri, där deras säkra driftsområde endast begränsades av maximal ström (kapaciteten hos anslutningstrådarna), maximal effektförlust och maximal spänning. Detta har ändrats i nyare enheter som beskrivs i nästa avsnitt. Power MOSFETs har dock parasitiska PN- och BJT-element i strukturen, vilket kan orsaka mer komplexa lokaliserade fellägen som liknar sekundärt haveri.

MOSFET termisk runaway i linjärt läge

I deras tidiga historia blev MOSFETs kända för sin frånvaro av sekundärt sammanbrott. Denna fördel berodde på det faktum att ON-resistansen ökar med ökande temperatur, så att en del av MOSFET som blir varmare (t.ex. på grund av oregelbundenheter i dynfästet etc.) kommer att ha en lägre strömtäthet, vilket tenderar att jämna ut eliminera eventuella temperaturvariationer och förhindra hot spots. Nyligen har MOSFET:er med mycket hög transkonduktans, optimerade för växlingsdrift, blivit tillgängliga. När den drivs i linjärt läge, speciellt vid höga drain-source-spänningar och låga drain-strömmar, tenderar gate-source-spänningen att vara mycket nära tröskelspänningen. Tyvärr minskar tröskelspänningen när temperaturen ökar, så att om det finns några små temperaturvariationer över chipet, kommer de varmare regionerna att tendera att bära mer ström än de kallare regionerna när Vgs är mycket nära V:te. Detta kan leda till termisk rusning och förstörelse av MOSFET även när den arbetar inom sina Vds, Id och Pd klassificeringar. Vissa (vanligtvis dyra) MOSFETs är specificerade för drift i det linjära området och inkluderar DC SOA-diagram, t.ex. IXYS IXTK8N150L.

Säkert arbetsområde för omvänd bias

Transistorer kräver lite tid att stängas av, på grund av effekter som minoritetsbärares lagringstid och kapacitans. När de stängs av kan de skadas beroende på hur lasten reagerar (särskilt med dåligt avstängda induktiva laster). Det säkra driftsområdet för omvänd bias (eller RBSOA ) är SOA under den korta tiden innan enheten slås av – under den korta tid som basströmförspänningen är omvänd. Så länge som kollektorspänningen och kollektorströmmen stannar inom RBSOA under hela avstängningen kommer transistorn att vara oskadad. Typiskt kommer RBSOA att specificeras för en mängd olika avstängningsförhållanden, såsom kortslutning av basen till sändaren, men även snabbare avstängningsprotokoll där bas-emitterspänningsförspänningen är omvänd.

RBSOA visar distinkta beroenden jämfört med normal SOA. Till exempel i IGBT:er stängs högströms- och högspänningshörnet av RBSOA ut när kollektorspänningen ökar för snabbt. Eftersom RBSOA är associerad med en mycket kort avstängningsprocess, är den inte begränsad av den kontinuerliga effektförlustgränsen.

Det vanliga säkra operationsområdet (när enheten är i påslaget läge) kan hänvisas till som Forward bias safe operation area (eller FBSOA ) när det är möjligt att förväxla det med RBSOA.

Skydd

Den vanligaste formen av SOA-skydd som används med bipolära kopplingstransistorer känner av kollektor-emitterströmmen med ett lågvärde seriemotstånd. Spänningen över detta motstånd appliceras på en liten hjälptransistor som progressivt "stjäl" basström från kraftenheten när den passerar överskottskollektorström.

En annan typ av skydd är att mäta temperaturen på utsidan av transistorn, som en uppskattning av kopplingstemperaturen, och minska drivningen till enheten eller stänga av den om temperaturen är för hög. Om flera transistorer används parallellt behöver endast ett fåtal övervakas för höljestemperatur för att skydda alla parallella enheter.


Detta tillvägagångssätt är effektivt men inte skottsäkert. I praktiken är det mycket svårt att designa en skyddskrets som fungerar under alla förhållanden, och det är upp till konstruktören att väga de troliga felförhållandena mot skyddets komplexitet och kostnad.

Se även

  1. ^   Tim Williams, kretsdesignerns följeslagare 2nd ed. , Butterworth-Heinemann, 2004 ISBN 0-7506-6370-7 , s.129-130
  2. ^   LW Turner, (red), Elektronikingenjörs referensbok , 4:e upplagan. Newnes-Butterworth, London 1976 ISBN 0408001682 , sidorna 8-45 och 8-46
  3. ^ SANYO Semiconductor Co., Ltd., område med säker drift
  4. ^   Paul Horowitz och Winfield Hill, The Art of Electronics 2nd Ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7 sida 321
  5. ^ International Rectifier Application Note AN-1155
  6. ^ NXP AN11158
  7. ^ Diskussion om MOSFET SOA (på tyska)
  8. ^   MH Rashid, Power electronics handbook , Academic Press, 2001, ISBN 0-12-581650-2 , s 108-109
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Safe_operating_area&oldid=1039653859 "