昕课堂丨带你看懂SiC MOSFET SOA曲线
SOA的全称是Safe Operating Area，中文名是安全工作区，指功率器件可以正常工作不被损坏的电流-电压区间。当下商用功率SiC MOSFET的数据手册中都会提供SOA曲线，方便工程师进行设计。本文将带你详细了解SOA曲线。
为什么要有SOA 曲线
下图给出功率MOSFET开关过程的电压电流波形示意图，器件开启时导通负载电流，电压和电流的比值为导通电阻；器件关断时阻断母线电压，漏电流近似为0。
图1 功率MOSFET的开启波形（左）和关断波形（右）[1]
从波形可以看出，开关过程中器件的电压电流不是同步变化的，以开启过程为例，t1-t2阶段，MOSFET电流开始上升，但依然承受高电压；t2-t3阶段，MOSFET电流为负载电流，两端电压开始下降。这是因为器件处于关断状态时，负载电流由并联的二极管续流，t1-t2阶段，电流开始由二极管转移到MOSFET，但此阶段因为二极管中存在正向电流，依然处于正偏状态，无法替MOSFET分担母线电压，只有在t2时刻后，二极管中无正向电流，才能进入反偏状态开始阻断母线电压。
这一过程在器件输出特性曲线中的对应关系如下，器件关断时阻断高电压，因为栅极电压小于阈值电压，电流近似为0；t1-t2阶段，栅极电压高于阈值电压，器件电流上升进入饱和区；t2阶段以后，器件电压下降，逐渐进入欧姆区。
图2 功率MOSFET开启过程与输出特性曲线对应关系[2]
可见开关过程中存在MOSFET同时导通大电流、承担高电压的时间段，即器件瞬时功率较高的时间段。在设计过程中，需要考虑这一阶段的大功率是否会损坏器件并造成系统失效，而判断依据就是电流、电压及持续时间是否在安全工作区内。
SOA曲线解读
以昕感N1M120080PK-A器件为例，SiC MOSFET的SOA曲线可以分为4个部分，如下图所示，本小节带大家介绍各个部分的含义。
图3 N1M120080PK-A器件的SOA曲线
① 电阻限制区：此区域下SiC MOSFET受导通压降的限制，边界线上电压和电流的比值为器件在最大结温下的导通电阻。如果器件的开启栅压或最大工作结温发变化，此区域的斜率也会相应调整。
② 最大电流限制区：此区域由器件能承受的最大电流限制，对应数据手册中的最大脉冲电流（ID(pulse)），与bonding线设计、芯片尺寸等因素有关。
③ 最大功耗限制区：在给定壳温（Tc）下，此区域需要考虑避免器件的结温（Tj）超出最大限制。在热平衡状态下，器件的温升（Tj-Tc）等于耗散功率和热阻的乘积，这要求电流电压的乘积不能超出最大耗散功率。同样以昕感N1M120080PK-A器件为例，如下所示，数据手册中也给出了不同脉冲宽度、不同占空比下器件热阻的变化，可以根据实际系统需求对SOA曲线进行重新计算。
图4 N1M120080PK-A器件的瞬态热阻曲线
④击穿电压限制区：器件工作的漏源电压（VDS）不能超出数据手册标注的最大额定电压，否则器件PN结可能被击穿。
参考资料： [1] Baliga B J .Fundamentals of Power Semiconductor Devices. [2] Kimoto T , Cooper J A .Fundamentals of Silicon Carbide Technology: Growth, Characterization, Devices and Applications. [3] J. Schoiswohl. Linear Mode Operation and Safe Operating Diagram of Power-MOSFETs.
