Para los dispositivos semiconductores de potencia (como BJT , MOSFET , tiristores o IGBT ), el área de operación segura (SOA) se define como las condiciones de voltaje y corriente en las que se puede esperar que el dispositivo funcione sin dañarse a sí mismo. [1]
La SOA se presenta generalmente en las hojas de datos de los transistores como un gráfico con V CE (voltaje colector-emisor) en la abscisa e I CE (corriente colector-emisor) en la ordenada ; el "área" segura se refiere al área bajo la curva. La especificación SOA combina las diversas limitaciones del dispositivo (voltaje máximo, corriente, potencia, temperatura de unión , ruptura secundaria) en una sola curva, lo que permite un diseño simplificado de circuitos de protección.
A menudo, además de la clasificación continua, también se trazan curvas SOA separadas para condiciones de pulso de corta duración (pulso de 1 ms, pulso de 10 ms, etc.).
La curva de área de operación segura es una representación gráfica de la capacidad de manejo de potencia del dispositivo en diversas condiciones. La curva SOA tiene en cuenta la capacidad de transporte de corriente de la conexión por cable, la temperatura de unión del transistor, la disipación de potencia interna y las limitaciones de ruptura secundaria.
Cuando tanto la corriente como el voltaje se representan en escalas logarítmicas , los bordes de la SOA son líneas rectas:
Las especificaciones SOA son útiles para los ingenieros de diseño que trabajan en circuitos de potencia, como amplificadores y fuentes de alimentación , ya que permiten evaluar rápidamente los límites del rendimiento del dispositivo, diseñar circuitos de protección adecuados o seleccionar un dispositivo más capaz. Las curvas SOA también son importantes en el diseño de circuitos de retorno .
Para un dispositivo que hace uso del efecto de ruptura secundaria, consulte Transistor de avalancha.
La ruptura secundaria es un modo de falla en los transistores de potencia bipolares. En un transistor de potencia con una gran área de unión, bajo ciertas condiciones de corriente y voltaje, la corriente se concentra en un pequeño punto de la unión base-emisor. Esto causa un calentamiento local, que progresa hasta un cortocircuito entre el colector y el emisor. Esto a menudo conduce a la destrucción del transistor. La ruptura secundaria puede ocurrir tanto con excitación de base directa como inversa. [2] Excepto a voltajes bajos de colector-emisor, el límite de ruptura secundaria restringe la corriente del colector más que la disipación de potencia en estado estable del dispositivo. [3] Los MOSFET de potencia más antiguos no presentaban ruptura secundaria, y su área de operación segura estaba limitada solo por la corriente máxima (la capacidad de los cables de unión), la disipación de potencia máxima y el voltaje máximo. Esto ha cambiado en dispositivos más recientes como se detalla en la siguiente sección. [4] Sin embargo, los MOSFET de potencia tienen elementos parásitos PN y BJT dentro de la estructura, que pueden causar modos de falla localizados más complejos que se asemejan a la ruptura secundaria.
En sus inicios, los MOSFET se hicieron conocidos por su ausencia de ruptura secundaria. Este beneficio se debía al hecho de que la resistencia de encendido aumenta con el aumento de la temperatura, de modo que la parte del MOSFET que funciona más caliente (por ejemplo, debido a irregularidades en la unión de la matriz, etc.) transportará una densidad de corriente más baja, lo que tiende a equilibrar cualquier variación de temperatura y evitar puntos calientes. Recientemente, se han puesto a disposición MOSFET con una transconductancia muy alta, optimizados para el funcionamiento conmutado. Cuando se opera en modo lineal, especialmente con voltajes altos de drenador-fuente y corrientes bajas de drenador, el voltaje de compuerta-fuente tiende a estar muy cerca del voltaje umbral. Desafortunadamente, el voltaje umbral disminuye a medida que aumenta la temperatura, de modo que si hay ligeras variaciones de temperatura en el chip, las regiones más calientes tenderán a transportar más corriente que las regiones más frías cuando Vgs está muy cerca de Vth. Esto puede provocar una fuga térmica y la destrucción del MOSFET incluso cuando está operando dentro de sus clasificaciones Vds, Id y Pd. [5] [6] Algunos MOSFET (normalmente caros) están especificados para funcionar en la región lineal e incluyen diagramas SOA de CC, por ejemplo, IXYS IXTK8N150L. [7]
Los transistores requieren un tiempo para apagarse, debido a efectos como el tiempo de almacenamiento de portador minoritario y la capacitancia. Mientras se apagan, pueden dañarse dependiendo de cómo responda la carga (especialmente con cargas inductivas mal amortiguadas ). El área de operación segura de polarización inversa (o RBSOA ) es la SOA durante el breve tiempo antes de convertir el dispositivo en estado de apagado, durante el corto tiempo en que se invierte la polarización de la corriente de base. Mientras el voltaje del colector y la corriente del colector permanezcan dentro de la RBSOA durante todo el apagado, el transistor no sufrirá daños. Por lo general, la RBSOA se especificará para una variedad de condiciones de apagado, como el cortocircuito de la base al emisor, pero también protocolos de apagado más rápidos donde se invierte la polarización del voltaje base-emisor.
El RBSOA muestra dependencias distintas en comparación con el SOA normal. Por ejemplo, en los IGBT, el extremo de alta corriente y alto voltaje del RBSOA se corta cuando el voltaje del colector aumenta demasiado rápido. [8] Dado que el RBSOA está asociado con un proceso de apagado muy breve, no está restringido por el límite de disipación de potencia continua.
El área de operación segura ordinaria (cuando el dispositivo está en estado encendido) puede denominarse área de operación segura de polarización directa (o FBSOA ) cuando es posible confundirla con RBSOA.
La forma más común de protección SOA utilizada con transistores de unión bipolar detecta la corriente colector-emisor con una resistencia en serie de bajo valor. El voltaje a través de esta resistencia se aplica a un pequeño transistor auxiliar que "roba" progresivamente la corriente de base del dispositivo de potencia a medida que pasa el exceso de corriente del colector.
Otro tipo de protección consiste en medir la temperatura del exterior del transistor, como una estimación de la temperatura de la unión, y reducir la excitación del dispositivo o apagarlo si la temperatura es demasiado alta. Si se utilizan varios transistores en paralelo, solo es necesario controlar la temperatura de la carcasa de unos pocos para proteger todos los dispositivos en paralelo.
Este método es eficaz, pero no infalible. En la práctica, es muy difícil diseñar un circuito de protección que funcione en todas las condiciones, y el ingeniero de diseño debe sopesar las posibles condiciones de falla frente a la complejidad y el costo de la protección.