안전운행구역

Safe operating area

전력 반도체 소자(BJT, MOSFET, 사이리스터 또는 IGBT 등)의 경우 안전 작동 영역(SOA)은 장치가 자체 손상 없이 작동할 것으로 예상할 수 있는 전압 및 전류 조건으로 정의된다.[1]

SOA는 일반적으로 트랜지스터 데이터시트에 Absissa와 I(콜렉터-엘리터CE 전류)에 VCE(콜렉터-엘리터 전류)가 있는 그래프로 표시되며, 곡선의 아래 영역을 나타내는 안전한 '면적'이다.SOA 규격은 장치의 다양한 제한사항(최대 전압, 전류, 전력, 접속 온도, 이차 고장)을 하나의 곡선으로 결합하여 보호 회로의 단순화된 설계를 가능하게 한다.

양극 전력 트랜지스터의 안전한 작동 영역 그림.집열기 전류와 라인 아래의 전압의 조합은 트랜지스터에 의해 허용될 수 있다.

흔히, 연속 정격 외에, 짧은 지속 펄스 조건(1ms 펄스, 10ms 펄스 등)에 대해서도 별도의 SOA 곡선이 표시된다.

안전 운전 영역 곡선은 다양한 조건에서 기기의 전력 처리 능력을 그래픽으로 나타낸 것이다.SOA 곡선은 와이어 본드 전류 전달 능력, 트랜지스터 접합 온도, 내부 전력 소산 및 2차 고장 한계를 고려한다.

안전 작동 구역의 제한

로그 척도에 전류와 전압이 모두 표시되면 SOA의 경계선은 직선이다.

  1. IC = ImaxC — 전류 한계
  2. VCE = VmaxCE — 전압 한계
  3. IC VCE = Pmax — 소산 한계, 열 분해
  4. IC VCEα = 항상성 — 2차 분해에 의해 주어진 한계(양극 접점 트랜지스터만 해당)

SOA 규격은 기기 성능의 한계, 적절한 보호 회로의 설계 또는 보다 유능한 기기의 선택을 신속하게 평가할 수 있기 때문에 증폭기 및 전원 공급장치와 같은 전력회로를 작업하는 설계 엔지니어에게 유용하다.SOA 곡선은 폴드백 회로 설계에도 중요하다.

이차 분해

2차 분해 효과를 사용하는 장치는 Acolvanch 트랜지스터를 참조하십시오.

2차 분해는 양극 전원 트랜지스터의 고장 모드다.접점 영역이 큰 동력 트랜지스터에서 전류와 전압의 특정 조건에서 전류는 베이스-배출기 접점의 작은 지점에 집중된다.이것은 국소 난방을 유발하여 집열기와 방출기 사이의 단락으로 진행된다.이것은 종종 트랜지스터의 파괴로 이어진다.2차 파괴는 전진 및 후진 베이스 드라이브 모두에서 발생할 수 있다.[2]낮은 수집기 방출 전압을 제외하고, 2차 분해 한계는 장치의 정상 상태 전력 소산보다 수집기 전류를 더 많이 제한한다.[3]구형 전력 MOSFET는 2차 고장을 나타내지 않았으며, 안전 작동 면적이 최대 전류(본딩 와이어의 용량), 최대 전력 소산 및 최대 전압에 의해서만 제한되었다.이는 다음 절에서 자세히 설명한 바와 같이 최근 기기에서 변경되었다.[4]그러나 파워 MOSFET는 구조물 내에 기생 PN과 BJT 요소를 가지고 있어 2차 고장을 유사하게 더 복잡한 국부적 고장 모드를 야기할 수 있다.

선형 모드에서 MOSFET 열가동

그들의 초기 역사에서, MOSFETs는 2차 고장의 부재로 유명해졌다.이러한 이점은 온도가 증가함에 따라 ON 저항성이 증가하기 때문에 더 뜨거워지는 MOSFET의 부분(예를 들어 다이 부착부의 불규칙성 등으로 인해)은 낮은 전류 밀도를 전달하여 온도 변동을 균등하게 하고 핫스팟을 방지하기 위함이었다.최근에는 전환 연산에 최적화된 매우 높은 전도성을 가진 MOSFET를 사용할 수 있게 되었다.특히 높은 배출원 전압과 낮은 배출 전류에서 선형 모드로 작동할 때 게이트 소스 전압은 임계 전압에 매우 가까운 경향이 있다.불행히도 온도 상승에 따라 임계 전압은 감소하므로 칩 전체에 약간의 온도 차이가 있을 경우 Vgs가 Vth에 매우 가까울 때 고온 부위가 냉각기 영역보다 더 많은 전류를 전달하는 경향이 있다.이는 Vds, Id, Pd 등급 내에서 동작하는 경우에도 열가출 및 MOSFET 파괴로 이어질 수 있다.[5][6]일부(일반적으로 비싼) MOSFET는 선형 영역에서의 작동을 위해 지정되며, DC SOA 다이어그램(예: IXYS IXTK8N150L)을 포함한다.[7]

역방향 바이어스 안전 작동 영역

트랜지스터는 소수 캐리어 저장 시간, 캐패시턴스 등의 영향으로 전원을 끄는 데 다소 시간이 필요하다.꺼지는 동안 부하가 어떻게 반응하느냐에 따라(특히 스너브드 유도 부하가 불량할 경우) 손상될 수 있다.역방향 바이어스 안전 작동 영역(또는 RBSOA)은 기기를 꺼짐 상태로 전환하기 전 짧은 시간 동안(기본 전류 바이어스가 역전된 짧은 시간 동안) SOA이다.전체 턴오프 중에 수집기 전압과 수집기 전류가 RBSOA 내에 머무르는 한 트랜지스터는 손상되지 않을 것이다.일반적으로 RBSOA는 이미터에 대한 베이스 단락과 같은 다양한 차단 조건뿐만 아니라 베이스-이미터 전압 바이어스가 역전되는 더 빠른 차단 프로토콜에 대해 지정된다.

RBSOA는 일반 SOA에 비해 뚜렷한 의존성을 보인다.예를 들어 IGBT에서 수집기 전압이 너무 빠르게 증가하면 RBSOA의 고전류 고전압 코너가 차단된다.[8]RBSOA는 매우 짧은 차단 프로세스와 연관되므로 지속적인 전력 소산 한계에 의해 제한되지 않는다.

RBSOA와 혼동할 수 있는 경우 일반적인 안전 작동 영역(기기가 켜져 있는 경우)을 전방 바이어스 안전 작동 영역(또는 FBSOA)이라고 할 수 있다.

보호

양극 접속 트랜지스터와 함께 사용되는 가장 일반적인 형태의 SOA 보호는 낮은 값의 직렬 저항기로 수집기-방출기 전류를 감지한다.이 저항기의 전압은 소형 보조 트랜지스터에 적용되며, 이 트랜지스터는 과도한 수집기 전류를 통과할 때 전원 소자에서 점진적으로 기본 전류를 '스틸'한다.

또 다른 보호 스타일은 트랜지스터 외부 온도를 접속 온도 추정치로 측정하여 장치에 대한 구동력을 줄이거나 온도가 너무 높을 경우 스위치를 끄는 것이다.다중 트랜지스터를 병렬로 사용하는 경우 모든 병렬 장치를 보호하기 위해 케이스 온도에 대해 일부만 모니터링하면 된다.


이 접근법은 효과적이지만 방탄은 아니다.실제로 모든 조건에서 작동할 보호 회로를 설계하는 것은 매우 어려운 일이며, 보호의 복잡성과 비용에 대해 가능한 고장 조건을 평가하는 것은 설계 엔지니어의 몫이다.

참고 항목

참조

  1. ^ 팀 윌리엄스, 서킷 디자이너의 동료 2번가버터워스-하이네만, 2004 ISBN0-7506-6370-7, 페이지 129-130
  2. ^ L.W. 터너(ed), 전자공학기술자 참고서, 제4편.뉴네스-버터워스, 1976년 런던 ISBN 0408001682페이지, 8-45페이지 및 8-46페이지
  3. ^ 산요반도체, 안전운전 분야
  4. ^ 폴 호로위츠와 윈필드 힐, 전자제품의 예술 2차 에드. 케임브리지 대학교 출판부, 1989 ISBN 0-521-37095-7 321페이지
  5. ^ 국제 정류기 응용 프로그램 노트 AN-1155
  6. ^ NXP AN1158
  7. ^ MOSFET SOA(독일어) 논의
  8. ^ M. H. 라시드 , 파워 전자 핸드북, 아카데미 프레스, 2001, ISBN 0-12-581650-2, 페이지 108-109