خصائص الإخراج وتصميم التطبيق لوحدات الترانزستورات ذات القدرة الخطية

“تعمل تطبيقات مثل الأحمال الإلكترونية ، أو المنظمين الخطيين ، أو مكبرات الصوت من الفئة أ في المنطقة الخطية من دوائر MOSFET للطاقة ، والتي تتطلب قدرة عالية على تبديد الطاقة وخصائص منطقة تشغيل آمنة (FBSOA) ممتدة إلى الأمام. يختلف وضع التشغيل هذا عن الطريقة المعتادة لاستخدام وحدات MOSFET للطاقة ، والتي تعمل مثل “مفتاح التشغيل والإيقاف” في تطبيقات وضع التبديل. في الوضع الخطي ، تخضع دوائر MOSFET للطاقة لضغط حراري مرتفع بسبب جهد التصريف العالي والتيار الذي يحدث في وقت واحد ، مما يؤدي إلى تبديد طاقة عالية.عندما يتجاوز الإجهاد الكهروحراري حدًا حرجًا معينًا ، تتطور النقاط الساخنة الحرارية في السيليكون ، مما يؤدي إلى فشل الجهاز[1].

“

تعمل تطبيقات مثل الأحمال الإلكترونية ، أو المنظمين الخطيين ، أو مكبرات الصوت من الفئة أ في المنطقة الخطية من دوائر MOSFET للطاقة ، والتي تتطلب قدرة عالية على تبديد الطاقة وخصائص منطقة تشغيل آمنة (FBSOA) ممتدة إلى الأمام. يختلف وضع التشغيل هذا عن الطريقة المعتادة لاستخدام وحدات MOSFET للطاقة ، والتي تعمل مثل “مفتاح التشغيل والإيقاف” في تطبيقات وضع التبديل. في الوضع الخطي ، تخضع دوائر MOSFET للطاقة لضغط حراري مرتفع بسبب جهد التصريف العالي والتيار الذي يحدث في وقت واحد ، مما يؤدي إلى تبديد طاقة عالية.عندما يتجاوز الإجهاد الكهروحراري حدًا حرجًا معينًا ، تتطور النقاط الساخنة الحرارية في السيليكون ، مما يؤدي إلى فشل الجهاز[1].

الشكل 1 الشكل 1 خصائص إخراج MOSFET قدرة القناة N

يوضح الشكل 1 خصائص الخرج النموذجية للقدرة MOSFET ذات القناة N ، والتي تصور أوضاع التشغيل المختلفة. في منطقة القطع ، يكون جهد مصدر البوابة (VGS) أقل من جهد عتبة البوابة (VGS (th)) والجهاز في حالة فتح أو إيقاف. في المنطقة الأومية ، يعمل الجهاز كمقاوم بمقاومة ثابتة تقريبًا RDS (on) تساوي Vds / Ids. في وضع التشغيل الخطي ، يعمل الجهاز في منطقة “التشبع الحالي” حيث يكون تيار التصريف (Ids) دالة لجهد مصدر البوابة (Vgs) ويتم تحديده من خلال:

حيث K هي معلمة تعتمد على درجة الحرارة وهندسة الجهاز و gfs هي الكسب الحالي أو الموصلية التحويلية. مع زيادة جهد التصريف (VDS) ، يتعارض جهد التصريف الإيجابي مع تحيز جهد البوابة ويقلل من إمكانات السطح في القناة. تنخفض شحنة طبقة انعكاس القناة مع زيادة Vds ، وفي النهاية ، عندما يكون جهد التصريف مساويًا لـ (Vgs C Vgs (th)) ، تصبح الشحنة صفرًا.هذه النقطة تسمى “نقطة قرصة القناة” ، وعند هذه النقطة يصبح تيار التصريف مشبعًا[2].

FBSOA هو رقم الجدارة في ورقة البيانات ، والذي يحدد الحد الأقصى المسموح به لنقطة التشغيل. ويبين الشكل 2 خصائص FBSOA النموذجية للقدرة MOSFET ذات القناة N. إنه مقيد بالحد الأقصى لجهد التصريف إلى المصدر VDSS ، والحد الأقصى لتيار التوصيل IDM وخط تبديد الطاقة الثابت لفترات نبض مختلفة. في هذا الشكل ، تُظهر هذه المجموعة من المنحنيات خطًا للتيار المستمر و 4 خطوط تشغيل أحادية النبضة ، 10 مللي ثانية ، 1 مللي ثانية ، 100us و 25us ، على التوالي. يتم قطع الجزء العلوي من كل خط للحد من الحد الأقصى لتيار التصريف ويحده خط منحدر موجب محدد بواسطة الطرق (على) للجهاز. ينتهي الجانب الأيمن من كل خط عند الحد المقنن لجهد مصدر التصريف (Vdss). كل سطر له ميل سلبي ويتم تحديده من خلال الحد الأقصى المسموح به من تبديد الطاقة لجهاز Pd:

حيث ZthJC هي الممانعة الطرفية العابرة من الوصلة إلى الحالة و TJ (الحد الأقصى) هي أقصى درجة حرارة تقاطع مسموح بها في MOSFET.

الشكل 2 الشكل 2 رسم تخطيطي نموذجي FBSOA للقدرة N- قناة MOSFET

يتم اشتقاق منحنيات القدرة الثابتة نظريًا من الحسابات التي تفترض وجود درجة حرارة تقاطع موحدة إلى حد كبير عبر قالب MOSFET للطاقة. هذا الافتراض ليس صحيحًا دائمًا ، خاصة بالنسبة للوحدات MOSFET ذات القالب الكبير. أولاً ، عادةً ما تكون حافة قالب MOSFET الملحوم بحامل حزمة الطاقة أكثر برودة من مركز القالب نتيجة لتدفق الحرارة الجانبي. ثانيًا ، قد تؤدي عيوب المواد (الفراغات الملحقة بالقالب ، تجاويف الشحوم الحرارية ، إلخ) إلى انخفاض محلي في التوصيل الحراري ، أي زيادة درجة الحرارة المحلية. ثالثًا ، سوف تتسبب التقلبات في تركيز الشوائب وسماكة أكسيد البوابة والشحنة الثابتة في حدوث تقلبات في جهد العتبة المحلية وكسب التيار (gfs) لخلايا MOSFET ، مما سيؤثر أيضًا على درجة الحرارة المحلية للرقاقة. تكون تغيرات درجة حرارة العفن غير ضارة تقريبًا عند التشغيل في وضع التبديل. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي إلى إخفاقات كارثية في تشغيل الوضع الخطي مع استمرار النبضات لفترة أطول من الوقت اللازم لنقل الحرارة من التقاطع إلى المشتت الحراري. تم العثور على وحدات MOSFET للطاقة الحديثة المُحسَّنة لتطبيقات وضع التبديل لديها قدرة محدودة على العمل في الزاوية اليمنى السفلية من مخطط FBSOA (المنطقة الموجودة على يمين حدود عدم الاستقرار الكهروحراري في الشكل 2).

يمكن فهم عدم الاستقرار الكهروحراري (ETI) كنتيجة لآلية ردود فعل إيجابية على سطح MOSFET للطاقة التي تفرض وضع تشغيل خطي:

ارتفاع موضعي في درجة حرارة الوصلة
ينتج عن هذا انخفاض محلي في Vgs (th) (معامل درجة الحرارة لجهد عتبة MOSFET سالب)
ينتج عن هذا زيادة في كثافة التيار المحلي Jds` (Vgs C Vgs (th)) 2
تؤدي الزيادة في كثافة التيار المحلي إلى زيادة تبديد الطاقة المحلية وزيادة أخرى في درجة الحرارة المحلية.

اعتمادًا على مدة نبضة الطاقة وظروف نقل الحرارة وخصائص تصميم خلية MOSFET ، يمكن أن يتسبب ETI في تركيز كل تيار MOSFET في الفتيل الحالي وتشكيل “نقطة ساخنة”. يؤدي هذا عادةً إلى فقدان خلايا MOSFET في المنطقة المخصصة للتحكم في البوابة وتشغيل BJTs الطفيلية ، مما يؤدي إلى إتلاف الجهاز.