Obszar pracy bezpiecznej w tranzystorach MOSFET - coraz bardziej istotny dla projektantów

Rys. 1. Przykładowe charakterystyki tranzystora MOSFET wraz z obszarami pracy

Duża wydajność nowych MOSFET-ów przy małych wymiarach pozwala na tworzenie innowacyjnych projektów elektroniki przenośnej, które działają dłużej z baterii, a także niewielkich i wydajnych elektronarzędzi, rowerów elektrycznych, gdzie elementy te odpowiedzialne są za sterowanie i konwersję mocy.

Jeszcze kilka lat temu takie możliwości integracji stopnia mocy wewnątrz niewielkiej obudowy, w systemach narażonych na pracę w szerokim zakresie temperatur nie były dostępne.

Producenci w reklamach i kartach katalogowych chętnie eksponują niskie wartości rezystancji kanału w stanie załączenia, podawane są też inne parametry, ale rzadko eksponuje się obszar SOA (Safe Operating Area) - definiujące obszar pracy bezpiecznej. W rzeczywistości jednak, parametr ten jest niezwykle ważny przy projektowaniu obwodów, zwłaszcza gdy MOSFET pracuje w obszarze liniowym przez dłuższy czas.

Co więcej, ekstremalnie niskie rezystancje R_DS(ON) zwykle przenoszą się na obszar SOA, zawężając go. W efekcie ograniczenia co do wartości przepływających przez tranzystor prądów robią się coraz ważniejsze, zmuszając projektantów urządzeń do uważnego przyglądania się podczas projektowania urządzenia temu, aby warunki pracy mieściły się zawsze wewnątrz obszaru pracy bezpiecznej, zapewniając tym samym długoterminową niezawodność.

Aby uwidocznić znaczenie parametru SOA w tranzystorze MOSFET, najlepiej odwołać się do zasady pracy tego elementu. Na rysunku 1 pokazano przykładową charakterystykę tranzystora. Punkt pracy może znajdować się w jednym z trzech obszarów pracy: odcięcia, pracy liniowej i nasycenia.

Załączenie tranzystora MOSFET jest realizowane poprzez podanie napięcia stałego pomiędzy źródło a bramkę. Gdy jest ono niższe od wartości progowej V_GS(TH), przewodzący kanał nie zawiera nośników ładunku i prąd nie płynie (stan odcięcia), gdy jest wyższe, pojawiają się nośniki i pomiędzy drenem a źródłem płynie prąd I_D. W obszarze liniowym, a więc gdy V_GS>V_UGS(TH), prąd drenu jest proporcjonalny do napięcia panującego pomiędzy drenem a źródłem V_DS. Warto zauważyć, że w obszarze pracy liniowej iloczyn I_D i V_DS jest dość znacznej wartości, zatem w tranzystorze wydziela się spora moc.

Przy określonej wartości V_DS proporcjonalność wzrostu prądu I_D przy wzroście napięcia V_DS staje się coraz słabsza. Nachylenie krzywej spłaszcza się przy zachowaniu mniej więcej liniowości. Jest to spowodowane poszerzeniem się warstwy zaporowej w pobliżu kontaktu drenu, co ogranicza przewodnictwo kanału. Przy dalszym wzroście napięcia V_DS kanał się nasyca i krzywa I_D<->V_DS staje się płaska. Dalsze narastanie napięcia na zaciskach dren-źródło nie powoduje już wzrostu prądu drenu.

Rys. 2. Cztery charakterystyczne stany pracy tranzystora MOSFET: od odcięcia do nasycenia

Rysunek 2 przedstawia wymienione stany charakterystyczne dla przykładowej struktury tranzystora MOSFET od odcięcia do nasycenia.

Jak pokazano na rysunku 1, MOSFET powinien pracować w stanie nasycenia lub odcięcia, aby straty mocy były w nim jak najmniejsze i aby sprawność całego układu była bliska maksymalnej. Należy zatem dążyć, aby tranzystor spędzał jak najmniej czasu w obszarze liniowym, np. poprzez maksymalnie szybkie załączanie i wyłączanie tego elementu, co jest podstawą impulsowych układów regulacji mocy.

Wiele układów sterowników silników, zasilaczy impulsowych bazuje na szybko przełączających MOSFET-ach, w których zoptymalizowano strukturę pod tym kątem. Tranzystor o małej pojemności i rezystancji szeregowej obwodu bramki zapewnia szybkie przeładowanie pojemności bramka-źródło i tym samym krótki czas wejścia w stan nasycenia.

Dodatkowo niska R_DS(ON) w stanie nasycenia daje niskie straty. W takich warunkach układy impulsowe są w stanie działać efektywnie. Niemniej nie wszystko daje się regulować impulsowo, czasem konieczne staje się wykonanie regulatora szeregowego, a więc z tranzystorem pracującym w obszarze liniowym.

W tym przypadku koncentracja uwagi projektanta na niskiej rezystancji kanału w stanie załączenia nie ma tutaj większego sensu, bo w takich aplikacjach nie ma ona wielkiego znaczenia. Przykładem może być tranzystor w zasilaczu kontrolera Power-over-Ethernet (PoE), który pełni funkcję ogranicznika prądowego.

Chroni to dołączane do sieci elementy przed uszkodzeniem, ogranicza wartości prądów udarowych powstających w momencie dołączania kart w systemach z redundancją itp. Takie przeciążenia nie trwają długo, ale w czasie ich trwania tranzystor jest w obszarze pracy liniowej.

Uwaga na nagrzewanie

Rys. 3. Tranzystor MOSFET ma w obszarze liniowym dodatni współczynnik temperaturowy wiążący prąd drenu z temperaturą złącza

Niestety taka praca nierzadko skutkuje problemami i awariami. U podstaw problemu leży to, że napięcie progowe V_GS(TH) zmienia się z temperaturą. Zależność nie jest prosta i została zilustrowana na rysunku 3. Z charakterystyki wynika, że dla określonego napięcia V_GS prąd płynący przez tranzystor będzie większy przy wyższych temperaturach złącza.

Inaczej mówiąc, napięcie V_GS(TH) obniża się wraz ze wzrostem temperatury. W wielu aplikacjach powstaje termiczne dodatnie sprzężenie zwrotne - na skutek płynącego prądu przez tranzystor i nagrzewającej się struktury obniża się napięcie progowe, co wywołuje wzrost prądu drenu i większe nagrzewanie tranzystora.

Proces ten jest odmienny od tego, co dzieje się w stanie nasycenia. Tam wraz ze wzrostem temperatury rezystancja R_DS(ON) rośnie, co ogranicza wartość płynącego prądu. Układ pozostaje w stanie stabilnym.

Na rysunku 3 został zaznaczony na charakterystyce punkt ZTC (Zero Thermal Coefficient), który rozgranicza oba te zjawiska. Wybierając tranzystor, który będzie pracował w liniowym obszarze charakterystyki warto zatem wybierać takie typy, dla których punkt ZTC leży jak najniżej.

Dodatni współczynnik temperaturowy MOSFET-a w stanie liniowym powoduje, że na skutek nagrzewania może dojść do niekontrolowanego przekroczenia granic obszaru pracy bezpiecznej SOA. O tym zjawisku często się zapomina, niemniej nie można go zaniedbywać. Przekonują o tym liczne publikacje producentów, którzy w kartach katalogowych zawsze definiują obszar SOA zarówno dla napięć stałych, jak i przy pracy impulsowej.

Rys. 4. Krzywe graniczne obszaru SOA dla tranzystora PSMN1R0-30YLC MOSFET firmy NXP

Na krzywej definiującej obszar SOA dla tranzystora PSMN1R0-30YLC NXP Semiconductors, pokazanej na rysunku 4, pionowa linia po prawej stronie definiuje maksymalną dopuszczalną wartość V_DS. Z kolei rosnąca krzywa po lewej stronie odzwierciedla istnienie skończonej wartości R_DS(ON) i związany z nią wpływ na wartość prądu płynącego przez tranzystor.

Rezystancja ta ogranicza wartość prądu w tym obszarze liniowo tak jak zwykły opornik. Rzut krzywej na oś Y determinuje maksymalną impulsową wartość prądu drenu tranzystora, natomiast prawie równoległe opadające krzywe w środku wskazują na maksimum prądu drenu dla danej szerokości impulsu i dla prądu stałego.

Karta katalogowa NXP opisuje ten tranzystor parametrami maksymalnymi jako 30 A i 100 V. Niemniej ten obszar SOA pokazuje, że wartości maksymalne zmieniają się w funkcji V_DS. Tranzystor jest w stanie przewodzić prąd 100 A przy napięciu dren-źródło poniżej 1 V, a więc w stanie pełnego nasycenia. Analogicznie przy napięciu V_DS=10 V prąd bezpieczny może sięgnąć 20 A dla sterowania impulsem 100 µs. Dla impulsu jeszcze krótszego - 10 µs i pojedynczego, maksymalny przewodzony prąd może sięgnąć aż 1 kA.

Można zatem powiedzieć, że obszar pracy bezpiecznej SOA wskazuje konstruktorowi, że w obszarze liniowym musi on upewnić się, aby w każdym przypadku, a więc dla wszystkich napięć U_DS i prądów, punkt pracy znajdował się wewnątrz obszaru. Inaczej istnieje możliwość uszkodzenia tranzystora.

Złożona struktura półprzewodnikowa

Struktury współczesnych MOSFET-ów są dosyć skomplikowane i od dawna nie zawierają monolitycznej, a więc jednorodnej struktury z poszczególnymi obszarami półprzewodnika tworzącymi tranzystor. Raczej zawierają wiele komórek połączonych ze sobą, po to, aby zapewnić lepsze parametry. Przykładem może być rezystancja kanału w stanie włączenia.

Aby osiągnąć małe wartości, łączy się równolegle wiele małych elementarnych struktur. Takie pracujące równolegle tranzystory zapewniają też większą wydajność prądową, ale kosztem podatności na uszkodzenie. Bo na skutek niejednorodności w strukturze mogą tworzyć się gorętsze miejsca i takie obszary z czasem szybciej się psują, degradując parametry całego elementu. Obszar SOA określa zatem bezpieczne warunki pracy dla takiej struktury także w ujęciu statystycznym.

W kartach katalogowych wielu producentów półprzewodników nie ma tak dokładnych danych, jak pokazano na rysunku 3 dla tranzystorów NXP. W takim przypadku przy pracy w zakresie liniowym trzeba być bardzo ostrożnym i nieufnym.

Wybieraj świadomie

Podczas wybierania tranzystora MOSFET do projektowanej aplikacji konstruktor ma często pokusę, aby wybrać element zapewniający najmniejszą wartość rezystancji R_DS(ON) i o małym ładunku bramki dla danego zakresu cenowego, po to aby uzyskać niskie straty mocy zarówno po stronie układu sterującego, jak i wykonawczego.

Biorąc pod uwagę, że obszar SOA dla takich elementów jest mniejszy niż dla całej pozornie gorszej reszty dla tranzystora pracującego w obszarze liniowym, taka strategia wyboru nie jest optymalna. Trzeba szukać elementów o dużym obszarze pracy bezpiecznej, gdyż zapewnią one niższą temperaturę złącza, tym samym będą wymagać mniejszego radiatora.

Warto też przejrzeć nowości, bo problem jest ogólnie producentom znany i pojawiają się jednostki takie, jak seria NextPower Live MOSFET NXP, w których poszerzono znacząco obszar SOA bez istotnego pogorszenia reszty parametrów.

Colin Weaving
Technology Director (EMEA)
Future Electronics Polska
www.futureelectronics.com