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高频开关电源里的MOS管总是爆炸是怎么回事?

高频开关电源工程师最怕什么?炸机!用着用着就坏了,莫名其妙MOS管就炸了,真是又怕又恨,可到底是哪里出问题了呢?这一切都和SOA相关。我们知道开关高频开关电源中MOSFET、 IGBT是最核心也是最容易烧坏的器件。开关器件长期工作于高电压大电流状态,承受着很大的功耗,一但过压或过流就会导致功耗大增,晶圆结温急剧上升,如果散热不及时,就会导致器件损坏,甚至可能会伴随爆炸,非常危险。这里就衍生一个概念,安全工作区。


一、什么是安全工作区?

安全工作区:SOA(Safe operating area)是由一系列(电压,电流)坐标点形成的一个二维区域,开关器件正常工作时的电压和电流都不会超过该区域。简单的讲,只要器件工作在SOA区域内就是安全的,超过这个区域就存在危险。


二、SOA具体如何应用和测试呢?

开关器件的各项参数在数据手册中都会明确标注,这里我们先来解读两个参数:

VDS(Drain-source voltage):漏源电压标称值,反应的是漏源极能承受的最大的电压值;

IDM(Drain current(pulsed)):漏源最大单脉冲电流(非重复脉冲),反应的是漏源极可承受的单次脉冲电流强。

 高频开关电源开关器件参数表

图1 高频开关电源开关器件参数表

器件手册一般都会提供SOA(Safe operating area)数据图表,主要和晶圆的散热、瞬间电压和电流的承受能力有关,通过IDM和VDS及器件晶圆沟道损耗的限制形成一个工作区域,称为安全工作区,如下图所示。安全工作区可以避免管子因结温过高而损坏。

 高频开关电源器件手册SOA曲线图

图2 高频开关电源器件手册SOA曲线图

示波器的测试应用非常简单,使用电压、电流探头正常测试开关管的VDS和IDM,并打开SOA分析功能,对照数据手册的SOA数据设置好示波器的SOA参数即可。一但波形触碰到安全区以外的区域,就说明器件超额工作,存在危险。


三、示波器的SOA分析功能有哪些作用?

支持连续测试,并统计通过及失败的总数次,该模式可用于连续烤机测试;

支持触碰(波形超出安全区域)停止、自动截图、声音提示操作;

安全工作区可通过电压、电流、功率限制设定,也可自定义设定。

 高频开关电源在示波器SOA测试波形图

图3 高频开关电源在示波器SOA测试波形图


四、总结

开关器件的安全工作区是一项非常重要的参数,通过示波器的SOA分析功能,可以快速有效的确定器件的工作是否安全,确保产品安全可靠。

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