Sicherer Arbeitsbereich (SOA) - Details

Wir betrachten hier den sicheren Arbeitsbereich (SOA) von Transistoren und MOSFETs im Detail. Diese Betrachtung ergänzt die Beschreibung Sicherer Arbeitsbereich (SOA).

MOSFETs

Der sichere Arbeitsbereich eines MOSFETs ist ähnlich dem eines Bipolartransistors. Neu ist die breite orange Linie. Oberhalb dieser Linie kann der MOSFET nicht betrieben werden, da dies aufgrund des Einschaltwiderstands, ON-Widerstands, des MOSFETs nicht möglich ist.

Bei MOSFETs wird in der Regel keine Begrenzung durch die maximale Leistung angegeben, da die thermische Instabilität schon früher auftritt.

Einschränkungen des sicheren Arbeitsbereichs

Die Daten für den sicheren Arbeitsbereich (SOA) werden immer für bestimmte Bedingungen angegeben:

• Die Temperatur des Transistors / MOSFETs beträgt 25°C

• Der Transistor / MOSFET wird nur einmal mit dem Wert betrieben. Dieses gilt insbesondere für die Impulsbelastungen.

• Er wird bis zu seiner maximalen Sperrschichttemperatur (150°C bis 175°C) belastet.

Diese Bedingungen sind für den Normalbetrieb natürlich unrealistisch.

• Es ist jedoch möglich zu bestimmen, welche Belastungen im realen Betrieb zulässig sind.

• Der zulässige Strom muss reduziert werden, wenn die Temperatur des Transistors / MOSFETS über 25°C liegt.

• Der zulässige Strom muss reduziert werden, wenn die Temperatur des Transistors / MOSFETS während eines Impulses weiter ansteigt.

• Eine von den Herstellern empfohlene Methode ist, den zulässigen Strom linear mit der Temperatur zu reduzieren.

• Das klingt kompliziert, kann aber letztlich einfach durch eine Verschiebung der SOA-Kennlinien nach unten dargestellt werden.

Lineares Modell der Leistungsreduzierung

Das lineare Modell geht davon aus, dass bei T_jmax - 25°C die maximale Leistung P_max zur Verfügung steht.

Ist die Temperaturdifferenz T_jmax - T_C kleiner, wird die Leistung entsprechend reduziert:

Pr = Pmax * ( Tjmax - TC ) / ( Tjmax - 25°C )
Pr / Pmax = ( Tjmax - TC ) / ( Tjmax - 25°C )

Fr        = 100% * ( Tjmax - TC ) / ( Tjmax - 25°C )

F_r ist der Reduktionsfaktor in %.

In Bild 3 sind die Verlustleistungsmultiplikatoren F_R für höhere Gehäusetemperaturen graphisch dargestellt. Die Multiplikatoren sind links in % und rechts als Faktor angegeben. Die Kennlinie für die maximale Sperrschichttemperatur 150°C ist violett dargestellt, die für 150°C grün dargestellt.

Für die 175°C Kennlinie ergibt sich für eine Gehäusetemperatur von 130°C ein Multiplikator F_R=30%=0,3.

Das lineare Modell besagt nun, dass für jeden Punkt der SOA-Kennlinien die Leistung auf F_r reduziert werden muss.

Im SOA bedeutet dieses, dass in den Kennlinien für jede Spannung der Strom auf F_r reduziert werden muss.

Viel Rechenarbeit.

Aber durch die logarithmische Darstellung der Ströme ist das recht einfach:

Beispiel für NDP6020P

Der NDP6020P kann mit maximal 60W belastet werden, und hat eine maximale Sperrschichttemperatur von T_j=175°C.

Wenn das Gehäuse des NDP6020P durch eine höhere Umgebungstemperatur und einen Kühlkörper auf 130°C erwärmt wird, gilt

Fr   = 100% * ( Tjmax - TC )    / ( Tjmax - 25°C )
Fr   = 100% * ( 175°C - 130°C ) / ( 175°C - 25°C ) = 30%
P130 = P175 * Fr / 100

P₁₇₅ ist die maximal zulässige Leistung von 60W, wenn das Gehäuse auf 25°C gekühlt wird.

P₁₃₀ ist die Leistung, wenn das Gehäuse auf 130°C erhitzt wird.

Wir wählen einen Punkt im SOA des NDP6020P: (6V, 10A). Der Strom muss auf 0,3*10A=3A verschoben werden.

Wir verschieben das gesamte SOA-Diagramm so weit nach unten, dass der ursprüngliche Punkt (6V, 10A) auf (6V, 3A) fällt.

In Bild 4 ist der ursprüngliche SOA mit dünnen Linien für eine Gehäusetemperatur von 25°C und der verschobene SOA mit fetten Linien Linien für eine Gehäusetemperatur von 130°C dargestellt.

Korrekturen

Die Verschiebung der SOA-Kurven von 25°C zu geringeren Leistungen bei höheren Temperaturen verschiebt auch die Begrenzung durch den Einschaltwiderstand nach unten.

Dieser Teil der Kurve ist jedoch leistungsunabhängig und muss nicht verschoben werden.

• Wir verlängern einfach die horizontalen Linien des verschobenen SOAs nach links bis zur Linie des Einschaltwiderstands im originalen SOA.

Anmerkungen

In den Application Notes der Hersteller wird nur auf die lineare Reduzierung der Ströme für die Maximalleistung und die thermische Instabilität eingegangen. Die Maximalströme sind nicht berücksichtigt.

Die Maximalströme resultieren aus dem Durchbrennen der Bonddrähte. Natürlich müssen auch diese Ströme reduziert werden.

Den gesamten SOA-Bereich nach unten zu verschieben, bedeutet, auf Nummer sicher zu gehen und dieses zu berücksichtigen.

Die Daten des BUZ11 belegen dieses.