Для силовых полупроводниковых приборов (таких как BJT , MOSFET , тиристор или IGBT ) область безопасной работы (SOA) определяется как условия напряжения и тока , при которых устройство может работать без самоповреждения. [1]
SOA обычно представлена в технических описаниях транзисторов в виде графика с V CE (напряжение коллектор-эмиттер) на оси абсцисс и I CE (ток коллектор-эмиттер) на оси ординат ; безопасная «область» относится к области под кривой. Спецификация SOA объединяет различные ограничения устройства — максимальное напряжение, ток, мощность, температуру перехода , вторичный пробой — в одну кривую, что позволяет упростить проектирование защитной схемы.
Часто, в дополнение к непрерывной оценке, строятся также отдельные кривые SOA для условий кратковременных импульсов (импульс 1 мс, импульс 10 мс и т. д.).
Кривая области безопасной работы представляет собой графическое представление мощности, передаваемой устройством в различных условиях. Кривая SOA учитывает токонесущую способность проволочных соединений, температуру транзисторного перехода, внутреннее рассеивание мощности и ограничения вторичного пробоя.
Если ток и напряжение отображены в логарифмическом масштабе , то границы SOA представляют собой прямые линии:
Спецификации SOA полезны для инженеров-конструкторов, работающих над силовыми цепями, такими как усилители и блоки питания , поскольку они позволяют быстро оценить пределы производительности устройства, разработать соответствующую схему защиты или выбрать более производительное устройство. Кривые SOA также важны при проектировании цепей foldback .
Для устройства, использующего эффект вторичного пробоя, см. Лавинный транзистор.
Вторичный пробой — это режим отказа в биполярных силовых транзисторах. В силовом транзисторе с большой площадью перехода при определенных условиях тока и напряжения ток концентрируется в небольшом пятне перехода база-эмиттер. Это вызывает локальный нагрев, прогрессирующий в короткое замыкание между коллектором и эмиттером. Это часто приводит к разрушению транзистора. Вторичный пробой может происходить как при прямом, так и при обратном движении базы. [2] За исключением низких напряжений коллектор-эмиттер, предел вторичного пробоя ограничивает ток коллектора больше, чем установившуюся рассеиваемую мощность устройства. [3] Старые силовые МОП-транзисторы не демонстрировали вторичного пробоя, а их безопасная рабочая область ограничивалась только максимальным током (емкостью соединительных проводов), максимальным рассеиванием мощности и максимальным напряжением. Это изменилось в более поздних устройствах, как подробно описано в следующем разделе. [4] Однако силовые МОП-транзисторы имеют паразитные элементы PN и BJT внутри структуры, которые могут вызывать более сложные локализованные режимы отказа, напоминающие вторичный пробой.
В своей ранней истории МОП-транзисторы стали известны отсутствием вторичного пробоя. Это преимущество было обусловлено тем, что сопротивление в открытом состоянии увеличивается с ростом температуры, поэтому та часть МОП-транзистора, которая работает горячее (например, из-за неровностей в креплении кристалла и т. д.), будет переносить меньшую плотность тока, что имеет тенденцию выравнивать любые температурные колебания и предотвращать появление горячих точек. Недавно стали доступны МОП-транзисторы с очень высокой крутизной, оптимизированные для коммутационной операции. При работе в линейном режиме, особенно при высоких напряжениях сток-исток и низких токах стока, напряжение затвор-исток имеет тенденцию быть очень близким к пороговому напряжению. К сожалению, пороговое напряжение уменьшается с ростом температуры, поэтому, если есть какие-либо незначительные температурные колебания на чипе, то более горячие области будут иметь тенденцию переносить больший ток, чем более холодные области, когда Vgs очень близко к Vth. Это может привести к тепловому разгону и разрушению МОП-транзистора, даже если он работает в пределах своих номиналов Vds, Id и Pd. [5] [6] Некоторые (обычно дорогие) МОП-транзисторы предназначены для работы в линейной области и включают в себя схемы DC SOA, например, IXYS IXTK8N150L. [7]
Транзисторам требуется некоторое время для выключения из-за таких эффектов, как время хранения неосновных носителей и емкость. При выключении они могут быть повреждены в зависимости от того, как реагирует нагрузка (особенно при плохо снабжённых индуктивных нагрузках). Безопасная рабочая область обратного смещения (или RBSOA ) — это SOA в течение короткого времени перед переводом устройства в выключенное состояние — в течение короткого времени, когда смещение тока базы меняется на противоположное. Пока напряжение коллектора и ток коллектора остаются в пределах RBSOA в течение всего выключения, транзистор не будет поврежден. Обычно RBSOA указывается для различных условий выключения, таких как замыкание базы на эмиттер, а также для более быстрых протоколов выключения, где смещение напряжения база-эмиттер меняется на противоположное.
RBSOA показывает отчетливые зависимости по сравнению с обычным SOA. Например, в IGBT сильноточный, высоковольтный угол RBSOA отсекается, когда напряжение коллектора увеличивается слишком быстро. [8] Поскольку RBSOA связан с очень коротким процессом выключения, он не ограничен пределом непрерывного рассеивания мощности.
Обычная безопасная рабочая область (когда устройство находится во включенном состоянии) может называться безопасной рабочей областью прямого смещения (или FBSOA ), когда ее можно спутать с RBSOA.
Наиболее распространенная форма защиты SOA, используемая с биполярными транзисторами, измеряет ток коллектор-эмиттер с помощью последовательного резистора с низким значением. Напряжение через этот резистор подается на небольшой вспомогательный транзистор, который постепенно «крадет» базовый ток у силового устройства, пропуская избыточный ток коллектора.
Другой способ защиты — измерение температуры внешней поверхности транзистора в качестве оценки температуры перехода и уменьшение подачи питания на устройство или его отключение, если температура слишком высокая. Если несколько транзисторов используются параллельно, то для защиты всех параллельных устройств достаточно контролировать температуру корпуса только нескольких из них.
Этот подход эффективен, но не является пуленепробиваемым. На практике очень сложно разработать схему защиты, которая будет работать при любых условиях, и инженеру-конструктору остается взвесить вероятные условия неисправности по сравнению со сложностью и стоимостью защиты.