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2018.04.05 Si功率元器件

确认在实际使用温度降额后的SOA范围内

实际工作中的晶体管适用性确认

在本章中将介绍判断所选的晶体管在实际工作中是否适用的方法和步骤。

本篇将介绍右侧流程图的④确认在使用环境温度下降额的SOA范围内。

测量实际的电流/电压波形
确认在绝对最大额定值范围内
确认在SOA(安全工作区)范围内
④确认在使用环境温度下降额的SOA范围内
⑤连续脉冲(开关工作)
⑥确认平均功耗在额定功率范围内
⑦确认芯片温度

170525_si_01

④确认在使用环境温度下降额的SOA范围内

前一篇就什么是SOA以及相关图表等的使用方法等进行了说明,还强调了一些注意事项。本文将结合其注意事项之一“SOA曲线图数据为环境(周围,Ta)温度25℃时的数据”,通过计算实际使用温度下的SOA,确认恰当的晶体管使用条件。在本文标题中已经使用了“降额”这个词,这是因为实际的工作环境温度大多数情况下高于25℃,致使需要进行25℃的SOA降额。

什么是SOA的降额?

我想您应该明白“降额”的含义。有关SOA也是一样,对于25℃条件下给出的数据,在实际使用晶体管的更高温度条件下,需要降低电流和电压等来作为SOA(安全工作区)。下面是双极晶体管和MOSFET的SOA降额示意图。

20170926_graf_01

SOA的降额基本上以“容许功率”即“热”来考量,最终以Tjmax来考量。举个普通的例子,从上图中可知,双极晶体管在热限制区的降额为0.8%/℃,二次击穿区的降额为0.5%/℃。另外还给出了MOSFET因导通电阻增加带来的最大电流降额和热限制区降额0.8%/℃。

下面再具体一点进行说明。下图摘自技术规格书,是这里用来举例的MOSFET R6020ENZ的SOA曲线图和容许功率损耗的降额曲线图。

20170926_graf_02

这里实际的晶体管Tj为75℃。前面谈的都是环境温度(即Ta),但从晶体管容许损耗的角度考量的话,最终还是需要探讨Tj的。

来稍微整理一下温度的关系。上一篇文章提到的注意事项中有“数据为单脉冲条件下的数据”。连续使用时的条件稍微麻烦些,不过加上单脉冲的条件可以认为Ta≒Tj。这是一般的解释,是基于“因为是短时间的脉冲,所以晶体管基本没有芯片温升”来考虑的。包括晶体管在内的半导体元器件的参数试验中,在伴随着发热的情况下通常通过脉冲试验使Ta≒Tj的情况很多。因此,该SOA数据按Ta≒Tj≒25℃来考虑。

而另一方面,晶体管需要根据损耗功率、封装热阻θja和Ta、或θjc和Tc求Tj。由于热计算是很普通的,所以在这里省略相关介绍。

从上图左侧的容许功率损耗的降额曲线可以看出,相对于Tj=25℃,Tj=75℃时需要降额至60%。接下来只需要使用该比率,像示例计算中那样进行降额即可。如果有必要,先求出(100%-60%)÷|25℃-75℃|=0.8%/℃这个比率系数就可以很快计算出来,也可以像曲线图中的蓝线一样绘制一条SOA的降额曲线。

最后,确认晶体管的实际使用条件是否在降额的SOA范围内,并判断使用条件是否恰当。

关键要点:

・SOA曲线图是Ta=25℃的数据,因此需要根据晶体管的实际使用温度对SOA进行降额。

・降额的比率使用容许损耗的降额比率。

活用Si(硅)功率器件特征的应用事例