Кіріспе
Техникалық сипаттама
Қуатты жартылай өткізгіш құрылғылар үшін (мысалы, BJT, MOSFET, тиристор немесе IGBT) қауіпсіз жұмыс аймағы (SOA) – құрылғының өзін-өзі зақымдамай жұмыс істей алатын кернеу және ток жағдайлары ретінде анықталады. SOA әдетте транзистордың деректер кестесінде VCE (коллектор-эмиттерлік кернеуі) абсцисса осінде және ICE (коллектор-эмиттерлік тогы) ордината осінде график түрінде ұсынылады; қауіпсіз "аймақ" – қисық астындағы ауданды білдіреді. SOA сипаттамасы құрылғының әртүрлі шектеулерін – максималды кернеу, ток, қуат, торап температурасы, екіншілік бұзылу – бір қисыққа біріктіреді, бұл қорғаныс тізбегін жобалауды жеңілдетеді. Көбінесе, үздіксіз рейтингке қосымша, қысқа мерзімді импульстік жағдайлар үшін (1 мс импульс, 10 мс импульс және т.б.) жеке SOA қисықтары да салынады. Қауіпсіз жұмыс аймағы қисығы – құрылғының әртүрлі жағдайлардағы қуатты басқару мүмкіндігінің графикалық бейнесі. SOA қисығы сым байланысының ток өткізу қабілетін, транзистор торабының температурасын, ішкі қуатты таратуды және екіншілік бұзылу шектеулерін ескереді.
For power semiconductor devices (such as BJT, MOSFET, thyristor or IGBT), the safe operating area (SOA) is defined as the voltage and current conditions over which the device can be expected to operate without self damage. SOA is usually presented in transistor datasheets as a graph with VCE (collector emitter voltage) on the abscissa and ICE (collector emitter current) on the ordinate; the safe 'area' referring to the area under the curve. The SOA specification combines the various limitations of the device — maximum voltage, current, power, junction temperature, secondary breakdown — into one curve, allowing simplified design of protection circuitry. Often, in addition to the continuous rating, separate SOA curves are also plotted for short duration pulse conditions (1 ms pulse, 10 ms pulse, etc.). The safe operating area curve is a graphical representation of the power handling capability of the device under various conditions. The SOA curve takes into account the wire bond current carrying capability, transistor junction temperature, internal power dissipation and secondary breakdown limitations.
Сызықтық режимдегі MOSFET термиялық қашуы
Ертеректе MOSFET-тер екіншілік бұзылудың болмауымен танымал болды. Бұл артықшылықтың себебі температураның көтерілуімен қосылыс кедергісінің (ON resistance) артуы еді, сондықтан MOSFET-тің қызып тұрған бөлігі (мысалы, кристалды бекітудегі кемшіліктер және т.б.) температураның кез келген өзгеруін теңестіруге және қызып кеткен жерлердің пайда болуын болдырмауға бейім. Соңғы кезде, коммутациялық жұмыс үшін оңтайландырылған, өте жоғары өткізгіштікке (transconductance) ие MOSFET-тер қолжетімді болды. Олар сызықтық режимде жұмыс істегенде, әсіресе жоғары дренаж-көз кернеулерінде (drain source voltages) және төмен дренаж тогында (drain currents), қақпа-көз кернеуі (gate source voltage) шекті кернеуге (threshold voltage) өте жақын болады. Айыныштысы, температураның көтерілуімен шекті кернеу төмендейді, сондықтан чип бойынша қандай да бір температураның шағын өзгеруі болса, Vgs Vth-қа өте жақын болғанда, қызып тұрған аймақтар салқын аймақтарға қарағанда көбірек ток өткізеді. Бұл Vds, Id және Pd параметрлерінің шегінде жұмыс істеген кезде де термиялық қашуға (thermal runaway) және MOSFET-тің бұзылуына алып келуі мүмкін. Кейбір (әдетте қымбат) MOSFET-тер сызықтық аймақта жұмыс істеуге арналған және DC SOA диаграммаларын қамтиды, мысалы IXYS IXTK8N150L.
Кері бұрылыс қауіпсіз жұмыс аймағы
Транзисторлардың өшірілуіне белгілі бір уақыт керек, себебі олар азшылық тасымалдаушылардың сақталу уақыты және сыйымдылық сияқты әсерлерге байланысты. Өшірілу кезінде, жүктеменің реакциясына қарай (әсіресе, нашар мойынтұйықталған индуктивтік жүктемелерде) олар зақымдануы мүмкін. Кері полярлық қауіпсіз жұмыс аймағы (немесе RBSOA) – бұл құрылғыны өшіру күйіне көшіру алдындағы қысқа уақыт ішіндегі SOA, базалық ток полярлығы кері бұрылған кездегі қысқа мерзім. Коллекторлық кернеу және тоқ өшірілу процесінің барлық кезеңінде RBSOA шегінде болған жағдайда, транзистор зақымдалмайды. Әдетте, RBSOA әртүрлі өшіру шарттары үшін, мысалы, базаны эмиттерге тікелей қосу арқылы, сондай-ақ базалық-эмиттерлік кернеудің кері полярлығымен жылдам өшіру протоколдары үшін көрсетіледі. RBSOA, қалыпты SOA-мен салыстырғанда ерекше тәуелділіктерді көрсетеді. Мысалы, IGBT-лерде коллекторлық кернеу тым жылдам өскенде RBSOA-ның жоғары ток, жоғары кернеу бұрышы қысқарады. RBSOA өте қысқа өшіру процесімен байланысты болғандықтан, оны үздіксіз қуатты тарату лимиті шектемейді. Құрылғы қосылған күйдегі қалыпты қауіпсіз жұмыс аймағы, оны RBSOA-мен шатастыру мүмкіндігі болғанда, Forward bias қауіпсіз жұмыс аймағы (немесе FBSOA) деп аталуы мүмкін.
Қорғау
Биполярлы тоқталған транзисторларда қолданылатын SOA қорғанысының ең көп таралған түрі коллектор-эмиттер тогын кішкентай кедергілі резистор арқылы бақылайды. Бұл резистордағы кернеу кішкентай қосалқы транзисторға беріледі, ол қуаттық құрылғы артық коллектор тогын өткізген кезде базалық тоқты біртіндеп "азайтады". Тағы бір қорғау әдісі – транзистордың сыртқы температурасын өлшеу, осы арқылы түйіспе температурасын шамалау және құрылғыны басқаруды азайту немесе температура тым жоғары болса оны тоқтату. Егер бірнеше транзистор параллель қосылса, барлық параллель құрылғыларды қорғау үшін тек бірнешеуінің корпус температурасын бақылау жеткілікті. Бұл тәсіл тиімді, бірақ толық кепілдік бермейді. Іс жүзінде, барлық жағдайларда жұмыс істейтін қорғаныс схемасын жасау өте қиын, сондықтан жобалаушы инженерге мүмкін болатын ақаулық жағдайларын қорғаныстың күрделілігі мен құнымен салыстырып қарау қалады.