MOSFET 安全工作区（SOA）曲线解读

一、定义

为了保证功率MOSFET器件能够安全、可靠的工作，需要对其工作电流、电压进行限制；通常为器件的各极限参数限制线在I_D-V_DS坐标平面内所围成的封闭区域，若超过这个区域器件可能损坏，这个区域被称为安全工作区SOA（Safe Operating Area）

二、组成及限制因素

功率MOSFET的安全工作区由两部分构成，分别为连续工作区域和脉冲工作区域，每个区域都由其相应的极限参数所限定。

2.1连续工作区

连续工作区域为功率MOSFET工作在直流状态下的安全范围（如下图），限定连续工作区域的因素有四个，分别为功率MOSFET的最大损耗功率P_D、连续漏极电流I_D、漏源击穿电压BV_DSS和导通电阻R_DSON。

电阻R_DSON限制

SOA曲线连续工作区左上方的边界线（红色），为导通电阻R_DSON限制线，其关系式为：

这条斜线的斜率就是1/ R_DSON。由于R_DSON随结温及栅源电压（V_GS）影响，安全工作区通常使用最为严苛情况，选取最高结温（150℃）及器件完全开启时（V_GS=10V）的R_DSON。

最大损耗功率P_D限制

SOA曲线连续工作区右上方的边界线（蓝色），为最大损耗功率P_D限制线，MOSFET器件的芯片及封装形式确定时，由稳态热阻R_thj-c可以确定最大损耗功率P_D：

又根据电功率定义式：P_D=V_DS×I_D，可以得到该限制线关系式为：

连续漏极电流I_D限制

SOA曲线连续工作区上方的边界线（绿色），为最大连续漏极电流I_D限制线； 其关系式为（前面文章有讲解）：

漏源击穿电压BV_DSS

SOA曲线连续工作区上方的边界线（黄色），为最大漏源击穿电压BV_DSS线；其关系式为：

在功率MOSFET器件正常工作中，若V_DS电压过高，PN结反偏发生雪崩击穿，为保障器件安全，在关断过程及其稳态下承受的漏-源极间最高电压应低于漏源击穿电压BV_DSS。

2.2脉冲工作区

脉冲工作区是功率MOSFET工作在开关状态下的安全范围（如下图），限定脉冲工作区域的因素也是四个，分别为功率MOSFET的最大脉冲损耗功率P_DM、最大漏极脉冲电流I_DM、漏源击穿电压BV_DSS和导通电阻R_DSON。

功率MOSFET在开关状态下的安全工作区大于在直流状态下，主要是因为脉冲工作区并非对器件持续施加电流，使器件有一定的散热时间，可以有更大的脉冲损耗功率和漏极脉冲电流，其中漏源击穿电压BV_DSS和导通电阻R_DSON限制与连续工作区相同，这里不做讲解。

最大脉冲损耗功率PDM限制

SOA曲线脉冲工作区右上方的边界线（蓝色），为最大脉冲损耗功率P_DM限制线；最大脉冲耗散功率P_DM由瞬态热阻Z_thj-c（与占空比和脉冲宽度有关）决定。最大脉冲损耗功率P_DM：

又根据电功率定义式：P_D=V_DS×I_D，可以得到该限制线关系式为：

瞬态热阻是器件没有达到热平衡状态时的热阻，其本质与稳态热阻相同，瞬态热阻会随着脉冲时间的加长逐渐变大，趋向稳态热阻，如上图单脉冲持续时间越长，脉冲功率限制线越接近直流功率限制线。

最大漏极脉冲电流I_DM限制

SOA曲线脉冲工作区上方的边界线（绿色），为最大漏极脉冲电流I_DM限制线；由于瞬态阻抗Z_thj-c要比稳态热阻小很多，因此，最大漏极脉冲电流也要比稳态值大很多，产品说明书中最大漏极脉冲电流I_DM通常为连续漏极电流I_D的4倍计算得到。

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