我們這堂課來講講電源結構最重要的其中一個元件—功率開關元件。
大功率的開關元件例如BJT、IGBT、MOSFET…等，都有所謂的SOA(Safe Operating Area安全操作區域)、是用來評估大功率的開關元件操作是否安全可靠的判斷機制，
甚至當大功率的開關元件發生損壞時，也是透過SOA的計算結果來加以確認。
我們這邊用最常用的MOSFET 來舉例說明:
- 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
- Rds-on limit線
SOA橫軸是Vds，縱軸是Ids，依據歐姆定律(V = I x R)，斜率為Rds-on。
Rds-on為正溫度係數，當溫度低時，Rds-on電阻值也會比較低，在相同電壓下，就會得到較大的電流，
而當溫度高時，Rds-on電阻值也會比較高，在相同電壓下，就會得到較小的電流，
因此Rds-on limit線是浮動的。而一般data sheet內SOA的Rds-on limit線是建立在Tj=150℃下所繪製出來的曲線
- 以SPP20N60C3為例
先設定二個Vds電壓點，假設分別為2V與10V，再透過Rds-on對應Tj的曲線，得出Rds-on值，代入算式即可計算出此時之Id電流，描繪出Rds-on limit線
- Pulse current limit線
高壓MOSFET的peak pulse電流是來自silicon的限制，而低壓MOSFET的peak pulse電流是來自包裝的限制。pulse電流是一個計算值(已標示在data sheet內)
- 以SPP20N60C3為例
透過上述算式得出Id,pulse電流值，即可描繪出Pulse current limit線
- Maximum power limit線
Maximum power是建立在一個前提下的條件，功率的消耗會相等於功率的產生，
Tj = Tc + Δt，而Δt = VDS x ID x Zthjc，SOA在maximum power是電壓與電流乘積產生的功率，功率再乘以熱阻值就會產生溫升。
- 以SPP20N60C3為例
透過Zthjc與tp的曲線，對照出不同時間下的Zthjc，再透過算式先求出當Tc=25℃時所能提供的功率PD，
再分別取二個Vds的電壓點來計算出電流，即可描繪出Maximum power limit線
- Thermal stability limit線
依據熱穩定度實驗結果來修正SOA曲線
- Breakdown voltage limit線
Breakdown voltage則是與溫度相關，它是正溫度係數，SOA的Breakdown voltage limit線是建立在Tj=25℃下所繪製出來的曲線
- 以SPP20N60C3為例
依照魚乾我的經驗:腳越少的半導體元件處理起來比很多腳的IC更複雜，因為pin 少所以要分析得更細更精闢…@@||
SOA的分析有利於在設計初期就先驗證理論上是否可行? 理論上可行再套用在實際硬體上。
萬一不幸在硬體測試階段發生”事故”時，我們也可以從”倖存”的樣機上去量測波形、並套用SOA的分析去找出問題的原因及改善對策…。
<小貼士>
本堂只是淺談MOSFET 的SOA 分析，
其實MOSFET 還有傳導損失(Conduction loss) 及開關損失(Switching loss)需要再去計算與分析，
這些會影響SOA的細節請待我們到”中”學堂的部份再深入探討唄^_^y
~本篇完
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