[经验]

SOA与Tj温度评估MOSFET操作

2019-9-17 09:05:05

2658 MOSFET SOA

SOA與Tj通常是用來評估MOSFET操作是否安全可靠的二個判斷機制，甚至當MOSFET發生損壞時，也會使用SOA與Tj來加以確認其計算結果是否在MOSFET所定義的規格之內
~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

~Tj(操作接面溫度)~

MOSFET所產生的power loss，主要可以分為switching loss與conduction loss，而switching loss又可區分為下面這些部份
   >switching loss
         -Switch on loss
      -switch off loss
      -gate charge loss(Qg)
      -output capacitance loss(Coss)
因此整體的power loss = switching loss + conduction loss。知道power loss，再透過下列的計算公式，即可計算出MOSFET的junction溫度
   >Tj = Tc + Pd_total x Rthjc
         -Tc為MOSFET上lead frame溫度
         -Rthjc為MOSFET本身的熱阻係數，單位為℃/W，標示在datasheet內

MOSFET switching loss與conduction loss計算方式分如下：
   >switching loss
         -switch on = 1/2 x Vds x Ids x tp x Fs
         -switch off = 1/2 x Vds x Ids x tp x Fsw
         -gate charge loss(Qg) = Vgs x Qg x Fsw
         -output capacitance loss(Coss) = 1/2 x Coss x V_bulk^2 x Fsw
   >conduction loss
         -conduction = Irms^2 x Rds-on_Tj
~SOA計算範例~
先量測出MOSFET在worst case時的波形，範例波形如下：

且在抓取波形時須特別注意下述二點：
   1.Vds電壓與Ids電流必須零點重疊
   2.開啟Vds與Ids乘積之Math功能
藉由Math波形找出在乘積最大時之Vcross、Icross與tp訊息來評估SOA

Ex：90Vac turn on test@full load, Tc=100℃, PFC MOSFET為IPW60R060P7

先找出在此一測試條件下之Vcross、Icross與tp訊息，來描繪出新的SOA。利用上述訊息即可計算出
            >Pd = 600V x 24A = 14400W
   >(150 - 80) / Z = 14400 , Z = 0.00486℃/W
   >(150 - 100) / 0.00486 = 10288W
   >10288W / 600V = 17.1A

再將量測波形與計算出來的數據，描繪到SOA上

若綠線交叉點在橘色線所圍出來的區域之下，即可判定SOA為Pass。
~Tj計算範例~

Ex：264Vac Steady state test@full load, Tc=100℃, PWM MOSFET為IPD60R650CE
1.先計算出turn on與turn off的switching loss

   -Switch_turn on loss = 1/2 x 220 x 0.9 x 168ns x 55.5KHz = 0.923W
   -Switch_turn off loss = 1/2 x 560 x 1.8 x 81.2ns x 55.5KHz = 2.27W
2.Qg與Coss的switching loss
   -Switch_Qg loss = 15 x 20.5nC x 55.5KHz = 0.045W
   -Switch_Coss loss = 1/2 x 30pF x 510^2 x 55.5KHz = 0.707W
3.因此整體的switching loss
   -P_switching loss = 0.923 + 2.27 + 0.045 + 0.707 = 3.945W
4.Conduction loss的計算
   -P_Conduction loss = 1.2^2 x 0.34ohm = 0.49W
5.MOSFET全部的Pd loss為switching loss加上conduction loss
   -Pd loss = 3.945W + 0.49W = 4.435W
6.代入上述Pd loss，即可計算出Tj溫度
   -Tj = Tc + (Pd x Rthjc) = 100 + (4.435 x 3.7) = 116.41℃
7.若Tj計算結果低於datasheet spec，即可判定Tj為Pass
   -高壓MOSFET Tj spec為150℃