सुरक्षित संचालन क्षेत्र
पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों (जैसे BJT, MOSFET, thyristor या IGBT) के लिए, सुरक्षित संचालन क्षेत्र (SOA) को वोल्टेज और करंट (बिजली) की स्थिति के रूप में परिभाषित किया जाता है, जिस पर डिवाइस को स्व-क्षति के बिना संचालित करने की उम्मीद की जा सकती है।[1] SOA को आमतौर पर V के साथ ग्राफ के रूप में ट्रांजिस्टर डेटा शीट में प्रस्तुत किया जाता हैCE (कलेक्टर-एमिटर वोल्टेज) सूच्याकार आकृति का भुज और आई परCE (कलेक्टर-एमिटर करंट) तालमेल पर; सुरक्षित 'क्षेत्र' वक्र के अंतर्गत क्षेत्र को संदर्भित करता है। SOA विनिर्देश डिवाइस की विभिन्न सीमाओं - अधिकतम वोल्टेज, करंट, पावर, जंक्शन तापमान, सेकेंडरी ब्रेकडाउन - को एक कर्व में जोड़ता है, जिससे सुरक्षा सर्किट्री के सरलीकृत डिज़ाइन की अनुमति मिलती है।
अक्सर, निरंतर रेटिंग के अलावा, अलग SOA कर्व भी छोटी अवधि की पल्स स्थितियों (1 ms पल्स, 10 ms पल्स, आदि) के लिए प्लॉट किए जाते हैं।
सुरक्षित परिचालन क्षेत्र वक्र विभिन्न परिस्थितियों में डिवाइस की पावर हैंडलिंग क्षमता का ग्राफिकल प्रतिनिधित्व है। SOA वक्र वायर बॉन्ड करंट वहन क्षमता, ट्रांजिस्टर जंक्शन तापमान, आंतरिक शक्ति अपव्यय और द्वितीयक ब्रेकडाउन सीमाओं को ध्यान में रखता है।
सुरक्षित संचालन क्षेत्र की सीमाएं
जहाँ करंट और वोल्टेज दोनों को लघुगणकीय पैमाने पर प्लॉट किया जाता है, SOA की सीमाएँ सीधी रेखाएँ होती हैं:
- मैंC = मैंCअधिकतम - वर्तमान सीमा
- वीCE = वीCEअधिकतम - वोल्टेज सीमा
- मैंC VCE = पीएमएक्स - अपव्यय सीमा, थर्मल ब्रेकडाउन
- मैंC VCEα = const — यह सेकेंडरी ब्रेकडाउन द्वारा दी गई सीमा है (केवल बाइपोलर जंक्शन ट्रांजिस्टर)
SOA विनिर्देश एम्पलीफायरों और बिजली आपूर्ति जैसे पावर सर्किट पर काम करने वाले डिज़ाइन इंजीनियर के लिए उपयोगी होते हैं क्योंकि वे डिवाइस के प्रदर्शन की सीमाओं का त्वरित मूल्यांकन, उपयुक्त सुरक्षा सर्किटरी के डिज़ाइन, या अधिक सक्षम डिवाइस के चयन की अनुमति देते हैं। फ़ोल्डबैक (बिजली आपूर्ति डिज़ाइन) सर्किट के डिज़ाइन में SOA वक्र भी महत्वपूर्ण हैं।
सेकेंडरी ब्रेकडाउन
एक उपकरण के लिए जो द्वितीयक ब्रेकडाउन प्रभाव का उपयोग करता है हिमस्खलन ट्रांजिस्टर देखें
'द्वितीयक ब्रेकडाउन' बाइपोलर पावर ट्रांजिस्टर में एक विफलता मोड है। एक बड़े जंक्शन क्षेत्र के साथ एक पावर ट्रांजिस्टर में, करंट और वोल्टेज की कुछ शर्तों के तहत, बेस-एमिटर जंक्शन के एक छोटे से स्थान पर करंट केंद्रित होता है। यह स्थानीय तापन का कारण बनता है, जो संग्राहक और उत्सर्जक के बीच एक शॉर्ट में प्रगति करता है। यह अक्सर ट्रांजिस्टर के विनाश की ओर ले जाता है। सेकेंडरी ब्रेकडाउन फॉरवर्ड और रिवर्स बेस ड्राइव दोनों के साथ हो सकता है।[2] कम कलेक्टर-एमिटर वोल्टेज को छोड़कर, द्वितीयक ब्रेकडाउन सीमा डिवाइस के स्थिर-राज्य बिजली अपव्यय की तुलना में कलेक्टर वर्तमान को अधिक प्रतिबंधित करती है।[3] पुराने पावर एमओएसएफईटी ने माध्यमिक ब्रेकडाउन का प्रदर्शन नहीं किया, उनके सुरक्षित संचालन क्षेत्र को केवल अधिकतम वर्तमान (बॉन्डिंग तारों की क्षमता), अधिकतम बिजली अपव्यय और अधिकतम वोल्टेज द्वारा सीमित किया गया। जैसा कि अगले भाग में विस्तार से बताया गया है, हाल ही के उपकरणों में यह बदल गया है।[4] हालांकि, पावर एमओएसएफईटी में संरचना के भीतर परजीवी पीएन और बीजेटी तत्व होते हैं, जो द्वितीयक ब्रेकडाउन जैसी अधिक जटिल स्थानीयकृत विफलता मोड का कारण बन सकते हैं।
MOSFET थर्मल भगोड़ा रैखिक मोड में
अपने प्रारंभिक इतिहास में, MOSFETs द्वितीयक ब्रेकडाउन की अनुपस्थिति के लिए जाने जाते हैं। यह लाभ इस तथ्य के कारण था कि बढ़ते तापमान के साथ ऑन-रेसिस्टेंस बढ़ता है, इसलिए MOSFET का वह हिस्सा जो गर्म चल रहा है (जैसे डाई-अटैचमेंट, आदि में अनियमितताओं के कारण) कम वर्तमान घनत्व ले जाएगा, यहां तक कि प्रवृत्त किसी भी तापमान भिन्नता को दूर करें और गर्म स्थानों को रोकें। हाल ही में, स्विचिंग ऑपरेशन के लिए अनुकूलित बहुत उच्च ट्रांसकंडक्टेंस वाले एमओएसएफईटी उपलब्ध हो गए हैं। जब रैखिक मोड में संचालित किया जाता है, विशेष रूप से उच्च नाली-स्रोत वोल्टेज और कम नाली धाराओं पर, गेट-स्रोत वोल्टेज थ्रेसहोल्ड वोल्टेज के बहुत करीब होता है। दुर्भाग्य से तापमान बढ़ने पर थ्रेशोल्ड वोल्टेज कम हो जाता है, ताकि अगर चिप में कोई मामूली तापमान भिन्नता हो, तो गर्म क्षेत्र ठंडे क्षेत्रों की तुलना में अधिक करंट ले जाएगा, जब Vgs Vth के बहुत करीब है। यह थर्मल पलायन और एमओएसएफईटी के विनाश का कारण बन सकता है, भले ही यह अपने वीडीएस, आईडी और पीडी रेटिंग के भीतर काम कर रहा हो।[5][6] कुछ (आमतौर पर महंगे) MOSFETs को रैखिक क्षेत्र में संचालन के लिए निर्दिष्ट किया जाता है और इसमें DC SOA आरेख शामिल होते हैं, उदा। IXYS IXTK8N150L।[7]
रिवर्स बायस सेफ ऑपरेटिंग एरिया
अल्पसंख्यक वाहक भंडारण समय और समाई जैसे प्रभावों के कारण ट्रांजिस्टर को बंद करने के लिए कुछ समय की आवश्यकता होती है। बंद करते समय, वे इस आधार पर क्षतिग्रस्त हो सकते हैं कि लोड कैसे प्रतिक्रिया करता है (विशेषकर खराब स्नबर इंडक्टिव लोड के साथ)। रिवर्स बायस सेफ ऑपरेटिंग एरिया (या आरबीएसओए) डिवाइस को ऑफ स्टेट में बदलने से पहले संक्षिप्त समय के दौरान एसओए है - कम समय के दौरान जब बेस करंट बायस उलट जाता है। जब तक कलेक्टर वोल्टेज और कलेक्टर करंट पूरे टर्नऑफ़ के दौरान RBSOA के भीतर रहता है, तब तक ट्रांजिस्टर अक्षतिग्रस्त रहेगा। आम तौर पर आरबीएसओए को विभिन्न प्रकार की टर्न-ऑफ स्थितियों के लिए निर्दिष्ट किया जाएगा, जैसे एमिटर को बेस को छोटा करना, लेकिन तेजी से टर्न-ऑफ प्रोटोकॉल जहां बेस-एमिटर वोल्टेज पूर्वाग्रह को उलट दिया जाता है।
आरबीएसओए सामान्य एसओए की तुलना में अलग निर्भरता दिखाता है। उदाहरण के लिए आईजीबीटी में आरबीएसओए के उच्च-वर्तमान, उच्च-वोल्टेज कोने को काट दिया जाता है जब संग्राहक वोल्टेज बहुत तेज़ी से बढ़ता है।[8] चूंकि आरबीएसओए एक बहुत ही संक्षिप्त टर्न-ऑफ प्रक्रिया से जुड़ा है, यह निरंतर बिजली अपव्यय सीमा से बाधित नहीं है।
सामान्य सुरक्षित संचालन क्षेत्र (जब उपकरण चालू अवस्था में हो) को आगे बायस सुरक्षित परिचालन क्षेत्र (या FBSOA) के रूप में संदर्भित किया जा सकता है जब इसे RBSOA के साथ भ्रमित करना संभव हो।
सुरक्षा
द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर के साथ उपयोग किए जाने वाले SOA सुरक्षा का सबसे सामान्य रूप कलेक्टर-एमिटर करंट को कम-मूल्य श्रृंखला अवरोधक के साथ महसूस करता है। इस प्रतिरोध में वोल्टेज को एक छोटे सहायक ट्रांजिस्टर पर लागू किया जाता है जो उत्तरोत्तर विद्युत उपकरण से 'बेस करंट' चुराता है क्योंकि यह अतिरिक्त कलेक्टर करंट पास करता है।
सुरक्षा की एक अन्य शैली ट्रांजिस्टर के बाहर के तापमान को जंक्शन तापमान के अनुमान के रूप में मापना है, और डिवाइस को ड्राइव कम करना या तापमान बहुत अधिक होने पर इसे बंद करना है। यदि समानांतर में कई ट्रांजिस्टर का उपयोग किया जाता है, तो सभी समानांतर उपकरणों की सुरक्षा के लिए केस तापमान के लिए केवल कुछ की निगरानी की जानी चाहिए।
यह दृष्टिकोण प्रभावी है लेकिन बुलेट प्रूफ नहीं है। व्यवहार में, एक सुरक्षा सर्किट को डिजाइन करना बहुत मुश्किल है जो सभी परिस्थितियों में काम करेगा, और यह डिजाइन इंजीनियर पर छोड़ दिया जाता है कि वह सुरक्षा की जटिलता और लागत के खिलाफ संभावित गलती की स्थिति का वजन करे।
यह भी देखें
- व्युत्पन्न
संदर्भ
- ↑ Tim Williams ,The circuit designer's companion 2nd ed.,Butterworth-Heinemann, 2004 ISBN 0-7506-6370-7, pp.129-130
- ↑ L.W. Turner,(ed), Electronics Engineer's Reference Book, 4th ed. Newnes-Butterworth, London 1976 ISBN 0408001682, pages 8-45 and 8-46
- ↑ SANYO Semiconductor Co., Ltd., Area of Safe Operation
- ↑ Paul Horowitz and Winfield Hill, The Art of Electronics 2nd Ed. Cambridge University Press, Cambridge, 1989 ISBN 0-521-37095-7 page 321
- ↑ International Rectifier Application Note AN-1155
- ↑ NXP AN11158
- ↑ Discussion of MOSFET SOA (in German)
- ↑ M. H. Rashid , Power electronics handbook, Academic Press, 2001, ISBN 0-12-581650-2, pp 108-109
- H. A. Schafft, J. C. French, Secondary Breakdown in Transistors, IRE Trans. Electron Devices ED-9, 129-136 (1962). online
- Michaël Bairanzade, Understanding Power Transistors Breakdown Parameters, OnSemi application node AN1628/D online
- Apex technical document on operating power opamps within SOA
