Bezpieczny obszar operacyjny

W przypadku półprzewodnikowych urządzeń mocy (takich jak BJT , MOSFET , tyrystor lub IGBT ) bezpieczny obszar działania (SOA) jest definiowany jako warunki napięcia i prądu , przy których można oczekiwać, że urządzenie będzie działać bez samouszkodzenia.

SOA jest zwykle przedstawiany w arkuszach danych tranzystorów jako wykres z V CE (napięcie kolektor-emiter) na odciętej i I CE (prąd kolektor-emiter) na rzędnej ; bezpieczny „obszar” odnoszący się do obszaru pod krzywą. Specyfikacja SOA łączy różne ograniczenia urządzenia — maksymalne napięcie, prąd, moc, temperaturę złącza , przebicie wtórne — w jedną krzywą, co pozwala na uproszczenie projektowania obwodów zabezpieczających.

Ilustracja bezpiecznego obszaru działania bipolarnego tranzystora mocy. Dowolna kombinacja prądu kolektora i napięcia poniżej linii może być tolerowana przez tranzystor.

Często, oprócz ciągłej oceny, wykreślane są również oddzielne krzywe SOA dla warunków impulsu o krótkim czasie trwania (impuls 1 ms, impuls 10 ms itp.).

Krzywa bezpiecznego obszaru działania jest graficzną reprezentacją możliwości przenoszenia mocy przez urządzenie w różnych warunkach. Krzywa SOA uwzględnia zdolność przenoszenia prądu przez przewód, temperaturę złącza tranzystora, wewnętrzne rozpraszanie mocy i ograniczenia przebicia wtórnego.

Granice bezpiecznego obszaru działania

Tam, gdzie zarówno prąd, jak i napięcie są wykreślone na skalach logarytmicznych , granice SOA są liniami prostymi:

  1. I C = I C max — ograniczenie prądu
  2. V CE = V CE max — ograniczenie napięcia
  3. I C V CE = Pmax — granica rozpraszania, przebicie termiczne
  4. I C V CE α = const — jest to granica wynikająca z wtórnego przebicia (tylko tranzystory złączowe bipolarne)

Specyfikacje SOA są przydatne dla inżyniera projektującego obwody zasilające, takie jak wzmacniacze i zasilacze , ponieważ umożliwiają szybką ocenę ograniczeń wydajności urządzenia, zaprojektowanie odpowiedniego obwodu zabezpieczającego lub wybór bardziej wydajnego urządzenia. Krzywe SOA są również ważne w projektowaniu składanych .

Awaria wtórna

Aby zapoznać się z urządzeniem wykorzystującym efekt wtórnego przebicia, patrz Tranzystor lawinowy

Awaria wtórna to tryb awaryjny w bipolarnych tranzystorach mocy. W tranzystorze mocy z dużym obszarem złącza, w pewnych warunkach prądu i napięcia, prąd koncentruje się w małym miejscu złącza baza-emiter. Powoduje to miejscowe nagrzewanie, przechodzące w zwarcie między kolektorem a emiterem. Prowadzi to często do zniszczenia tranzystora. Awaria wtórna może wystąpić zarówno podczas jazdy do przodu, jak i do tyłu. Z wyjątkiem niskich napięć kolektor-emiter, wtórna granica przebicia ogranicza prąd kolektora bardziej niż rozpraszanie mocy urządzenia w stanie ustalonym. Starsze tranzystory MOSFET mocy nie wykazywały wtórnego przebicia, a ich bezpieczny obszar działania był ograniczony jedynie maksymalnym prądem (pojemnością przewodów łączących), maksymalnym rozpraszaniem mocy i maksymalnym napięciem. Zmieniło się to w nowszych urządzeniach, jak opisano szczegółowo w następnej sekcji. Jednak tranzystory mocy MOSFET mają w swojej strukturze pasożytnicze elementy PN i BJT, które mogą powodować bardziej złożone lokalne tryby awarii, przypominające awarię wtórną.

Ucieczka termiczna MOSFET w trybie liniowym

W swojej wczesnej historii tranzystory MOSFET stały się znane z braku wtórnego przebicia. Ta korzyść wynikała z faktu, że rezystancja ON wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, więc ta część tranzystora MOSFET, która jest bardziej gorąca (np. z powodu nieprawidłowości w zamocowaniu matrycy itp.) wyeliminować wszelkie wahania temperatury i zapobiec gorącym punktom. Ostatnio dostępne stały się tranzystory MOSFET o bardzo wysokiej transkonduktancji, zoptymalizowane do operacji przełączania. Podczas pracy w trybie liniowym, zwłaszcza przy wysokich napięciach dren-źródło i niskich prądach drenu, napięcie bramka-źródło ma tendencję do zbliżania się do napięcia progowego. Niestety, napięcie progowe maleje wraz ze wzrostem temperatury, więc jeśli na chipie występują niewielkie wahania temperatury, wtedy cieplejsze obszary będą miały tendencję do przenoszenia większego prądu niż chłodniejsze obszary, gdy Vgs jest bardzo bliskie Vth. Może to prowadzić do niekontrolowanego wzrostu temperatury i zniszczenia MOSFET-u, nawet jeśli pracuje on w zakresie Vds, Id i Pd. Niektóre (zwykle drogie) tranzystory MOSFET są przeznaczone do pracy w obszarze liniowym i zawierają schematy DC SOA, np. IXYS IXTK8N150L.

Bezpieczny obszar działania przy odwróceniu polaryzacji

Tranzystory potrzebują trochę czasu, aby się wyłączyć, ze względu na efekty, takie jak czas przechowywania nośników mniejszościowych i pojemność. Podczas wyłączania mogą ulec uszkodzeniu w zależności od reakcji obciążenia (zwłaszcza przy słabo tłumionych obciążeniach indukcyjnych). Bezpieczny obszar roboczy dla polaryzacji wstecznej (lub RBSOA ) to SOA w krótkim czasie przed wyłączeniem urządzenia - w krótkim czasie, gdy polaryzacja prądu podstawowego jest odwrócona. Dopóki napięcie kolektora i prąd kolektora pozostaną w zakresie RBSOA podczas całego wyłączenia, tranzystor pozostanie nieuszkodzony. Zazwyczaj RBSOA będzie określony dla różnych warunków wyłączania, takich jak zwarcie bazy z emiterem, ale także dla protokołów szybszego wyłączania, w których polaryzacja napięcia baza-emiter jest odwrócona.

RBSOA wykazuje wyraźne zależności w porównaniu do normalnego SOA. Na przykład w tranzystorach IGBT wysokoprądowy, wysokonapięciowy róg RBSOA jest odcinany, gdy napięcie kolektora wzrasta zbyt szybko. Ponieważ RBSOA jest powiązany z bardzo krótkim procesem wyłączania, nie jest ograniczony limitem ciągłego rozpraszania mocy.

Zwykły bezpieczny obszar działania (gdy urządzenie jest w stanie włączonym) może być określany jako bezpieczny obszar działania polaryzacji przewodzenia (lub FBSOA ), jeśli można go pomylić z RBSOA.

Ochrona

Najbardziej powszechna forma ochrony SOA stosowana z bipolarnymi tranzystorami złączowymi wykrywa prąd kolektor-emiter za pomocą rezystora szeregowego o niskiej wartości. Napięcie na tym rezystorze jest przykładane do małego tranzystora pomocniczego, który stopniowo „kradnie” prąd bazowy z urządzenia zasilającego, gdy przepływa przez nadmiar prądu kolektora.

Innym sposobem ochrony jest pomiar temperatury na zewnątrz tranzystora jako oszacowanie temperatury złącza i zmniejszenie napędu do urządzenia lub wyłączenie go, jeśli temperatura jest zbyt wysoka. Jeśli równolegle używanych jest wiele tranzystorów, tylko kilka z nich musi być monitorowanych pod kątem temperatury obudowy, aby chronić wszystkie równoległe urządzenia.


To podejście jest skuteczne, ale nie kuloodporne. W praktyce bardzo trudno jest zaprojektować obwód zabezpieczający, który będzie działał w każdych warunkach, a do inżyniera projektu pozostawia się rozważenie prawdopodobnych warunków awarii w stosunku do złożoności i kosztów zabezpieczenia.

Zobacz też

  1. ^   Tim Williams, towarzysz projektanta obwodów, drugie wyd. Butterworth-Heinemann, 2004 ISBN 0-7506-6370-7 , s. 129-130
  2. ^   LW Turner, (red.), Podręcznik inżyniera elektronika , wyd. 4. Newnes-Butterworth, Londyn 1976 ISBN 0408001682 , strony 8-45 i 8-46
  3. ^ SANYO Semiconductor Co., Ltd., obszar bezpiecznej eksploatacji
  4. ^   Paul Horowitz i Winfield Hill, The Art of Electronics, wyd. Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7 strona 321
  5. ^ Nota aplikacyjna międzynarodowego prostownika AN-1155
  6. Bibliografia _
  7. ^ Omówienie MOSFET SOA (w języku niemieckim)
  8. ^   MH Rashid, Podręcznik energoelektroniki , Academic Press, 2001, ISBN 0-12-581650-2 , str. 108-109
Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Safe_operating_area&oldid=1039653859 ”