4.如何繪製MOSFET 安全操作區（SOA）曲線

金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）的安全操作區（SOA）曲線是一個重要的參考，它指出了元件在不同條件下可安全運作的範圍。為了確保電路的穩定性與可靠性，了解如何正確繪製SOA曲線至關重要。


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大功率的開關元件例如BJT、IGBT、MOSFET…等，都有所謂的SOA(Safe Operating Area安全操作區域)、是用來評估大功率的開關元件操作是否安全可靠的判斷機制，

甚至當大功率的開關元件發生損壞時，也是透過SOA的計算結果來加以確認。

我們這邊用最常用的MOSFET 來舉例說明:

• SOA(安全操作區域)

           SOA是由5條limit線所圍起來的一個區域，在任何測試條件下都必須讓MOSFET操作在SOA的範圍之內，才能確保MOSFET在操作上是安全可靠的。

           而這5條limit線分別為Rds-on、pulse電流、maximum功率、熱穩定與breakdown電壓

• Rds-on limit線

SOA橫軸是Vds，縱軸是Ids，依據歐姆定律(V = I x R)，斜率為Rds-on。

Rds-on為正溫度係數，當溫度低時，Rds-on電阻值也會比較低，在相同電壓下，就會得到較大的電流，

而當溫度高時，Rds-on電阻值也會比較高，在相同電壓下，就會得到較小的電流，

因此Rds-on limit線是浮動的。而一般data sheet內SOA的Rds-on limit線是建立在Tj=150℃下所繪製出來的曲線

• 以SPP20N60C3為例

先設定二個Vds電壓點，假設分別為2V與10V，再透過Rds-on對應Tj的曲線，得出Rds-on值，代入算式即可計算出此時之Id電流，描繪出Rds-on limit線

• Pulse current limit線

高壓MOSFET的peak pulse電流是來自silicon的限制，而低壓MOSFET的peak pulse電流是來自包裝的限制。pulse電流是一個計算值(已標示在data sheet內)

• 以SPP20N60C3為例

透過上述算式得出Id,pulse電流值，即可描繪出Pulse current limit線

• Maximum power limit線

Maximum power是建立在一個前提下的條件，功率的消耗會相等於功率的產生，

• 以SPP20N60C3為例

透過Zthjc與tp的曲線，對照出不同時間下的Zthjc，再透過算式先求出當Tc=25℃時所能提供的功率PD，

再分別取二個Vds的電壓點來計算出電流，即可描繪出Maximum power limit線

• Thermal stability limit線

依據熱穩定度實驗結果來修正SOA曲線

• Breakdown voltage limit線

Breakdown voltage則是與溫度相關，它是正溫度係數，SOA的Breakdown voltage limit線是建立在Tj=25℃下所繪製出來的曲線

• 以SPP20N60C3為例

依照魚乾我的經驗:腳越少的半導體元件處理起來比很多腳的IC更複雜，因為pin 少所以要分析得更細更精闢…@@||

SOA的分析有利於在設計初期就先驗證理論上是否可行? 理論上可行再套用在實際硬體上。

萬一不幸在硬體測試階段發生”事故”時，我們也可以從”倖存”的樣機上去量測波形、並套用SOA的分析去找出問題的原因及改善對策…。

<小貼士>

本堂只是淺談MOSFET 的SOA 分析，

其實MOSFET 還有傳導損失(Conduction loss) 及開關損失(Switching loss)需要再去計算與分析，

這些會影響SOA的細節請待我們到”中”學堂的部分再深入探討唄^_^y

~本篇完