Safe Operating Area (SOA)

Eload SOA in High Current Range

Im Kon­fi­gu­ra­ti­ons­spei­cher des Ge­räts sind auch In­for­ma­ti­onen über die Safe Operating Area des Leis­tungs­tran­sis­tors hin­ter­legt. Wenn die ak­tuel­len Be­din­gun­gen die­se über­schrei­ten wird der Strom auto­matisch re­du­ziert um eine Über­lastung des Tran­sis­tors zu ver­hin­dern. Der Tran­sis­tor wird in dieser Schal­tung im linearen Be­reich be­trie­ben und kann lan­ge nicht das leis­ten was das Da­ten­blatt auf einen ersten, flüch­tigen Blick hin zu ver­spre­chen scheint!

Auch ziem­lich dicke MOSFETs wie z.B. der IRFP4110 (no­mi­nell 180 A bei 100 V) können bei 4 A Dauer­strom nur et­wa 12 V ver­tra­gen. Der bil­lige TIP102 schafft hier im­mer­hin noch 20 V. Die Grafik zeigt im wesent­lichen die SOA des TIP102, zusätzlich li­mitiert durch die ma­xi­mal 4 A des Sense-Wider­stan­des und die 60 V (aus Sicherheits­gründen) maxi­male Be­triebs­span­nung (gezeigt ist hier der High-Current-Range mit dem 100 mΩ-Wider­stand).

Tatsächlich könnte der TIP bis 8 A (bis etwa 10 V) und 100 V (bei 100 mA).

8 A bei 10 V sind die 80 W, die im Daten­blatt ange­geben sind, aber 100 V bei 100 mA sind gerade mal 10 W! Das ist der Grund warum man ein Daten­blatt sehr genau lesen muss um nicht in ir­gend­welche Fallen zu tappen! Her­steller machen hier normaler­wei­se kei­ne fal­schen An­gaben aber sie he­ben na­tür­lich die po­si­ti­ven Ei­gen­schaf­ten ih­res Pro­dukts her­vor und nei­gen da­zu, die ne­ga­tiven Ei­gen­schaf­ten zu ver­schwei­gen oder zu ver­harm­lo­sen.

Eload SOA im linearen Maßstab
SOA im linearen Maßstab

Die haupt­säch­li­che Gren­ze ist hier der Zwei­te Durch­bruch (se­cond break­down). Was ist das? Bei hohen CE-Span­nun­gen kön­nen ab ei­nem gewis­sen Strom auf dem Chip Hot Spots ent­ste­hen. Dies ist ein selbst­ver­stär­ken­der Vor­gang, so dass diese im­mer mehr Strom auf im­mer klei­ne­rer Flä­che über­neh­men bis die ent­ste­hen­de Ver­lust­wär­me schließ­lich nicht mehr aus­rei­chend abge­führt wer­den kann. Der Tran­sistor wird zer­stört ob­wohl er lange noch nicht den im Daten­blatt ange­gebenen Dau­er­strom führt.
Über­tra­gen in ein Dia­gramm mit line­aren Ach­sen sieht man, wie dra­ma­tisch die SOA den maxi­mal zuläs­sigen Strom beein­flusst: die rote Li­nie ist PVmax, die blaue die SOA (die grüne ent­spricht dem 4 A-Li­mit durch Rsense). Man sieht dass für un­seren Tran­sistor ab etwa 25 V der durch die SOA limi­tier­te Strom deutlich unter der maxi­malen Ver­lust­leis­tung liegt.
Wenn man sich im Daten­blatt die SOA für ms-Pulse ansieht kann man er­ahnen, dass der Zweite Durch­bruch sehr schnell ab­lau­fen kann (in Se­kun­den­bruchteilen bis Mil­li­se­kun­den und we­niger). Der Tran­sis­tor wird zer­stört lan­ge be­vor ein even­tuel­ler Kühl­kör­per warm wer­den kann. Mit dem Fin­ger am Tran­sis­tor kann man ihn nicht vor­aus­se­hen...

Dies ist üb­ri­gens auch der Grund, wa­rum man bi­po­lare Tran­sis­to­ren nicht ein­fach pa­ral­lel schal­ten kann, nur eben auf mi­kro­sko­pi­schem Ni­veau. Das gilt ne­ben­bei be­merkt auch für MOSFETs wenn man sie im line­aren Be­reich be­treibt! Der Me­cha­nis­mus ist dann zwar et­was anders (der nega­tive Tem­pe­ra­tur­ko­ef­fi­zi­ent der Gate-Schwell­span­nung) aber der Ef­fekt ist der glei­che. Nur mit einem Emit­ter (Source-) Wi­der­stand, der die Ver­lust­leis­tung aus­gleicht aber zu­gleich einen uner­wünsch­ten Span­nungs­abfall bewirkt ist dies si­cher mög­lich. Der Span­nungs­abfall muss groß gegen­über der Basis-Emit­ter-Span­nung bzw. er muss groß gegen­über dem Kanal­wider­stand sein um wirk­sam zu sein und kann damit die Parameter der Schal­tung erheb­lich nega­tiv beein­flus­sen.

Im Klar­text be­deutet das, Eload kann bis 25 V noch 3,2 A ziehen (zu­min­dest so­lange bis der Kühl­körper zu heiß wird), dann jedoch sinkt der Strom erheb­lich bis er bei 60 V nur noch 350 mA be­trägt. Das mag trau­rig klingen, man kann jedoch die Physik nicht be­trü­gen. Hüten Sie sich vor Ver­suchen, die SOA, die ja im EEPROM hinter­legt ist, zu tunen in der Annahme, die Daten­blätter sind ja auch eher kon­ser­vativ. Irgend­wann wird ihr Tran­sistor auf­geben und schie­ben Sie es dann nicht auf mich, ich habe Sie ge­warnt!

Wenn der Tran­sistor ver­sagt schließt er im Re­gel­fall kurz und führt da­mit zum Flie­gen der Si­che­rung oder ih­rer Quel­le (je nach­dem, was eben schnel­ler ist). Hal­ten Sie sich an die SOA und Ihr Tran­sistor lebt län­ger...

Eload SOA in Low Current Range
Im Low-Current-Range wie hier zu se­hen spielt die SOA des Tran­sis­tors kei­ne Rol­le. Der Grenz­strom ist über den ge­samten Be­reich aus­schlie­ß­lich durch den Sense-Wi­der­stand mit sei­nem ach­tel Watt be­grenzt was für die 500 mV Mess­be­reich (der am 3,3 Ω-Wider­stand rund 160 mA ent­spricht) des AD-Wand­lers auch völlig ausreicht. Mehr als etwa 160 mA kann der Con­trol­ler in die­ser Be­triebs­art nicht vor­ge­ben und bleibt so­mit im­mer im si­ch­eren Be­reich.

Falls Sie ei­nen an­de­ren Tran­sistor ein­set­zen, be­ach­ten Sie die Gren­zen der Schal­tung! Imax ist 4 A wegen der Be­last­bar­keit des Sense-Wider­stan­des und Umax ist aus Si­cher­heits­grün­den 60 V. Höhere Span­nun­gen wä­ren nur mit ei­nem si­che­ren Schutz ge­gen Be­rührung zuläs­sig.

Ein an­de­rer Tran­sis­tor? Wa­rum?

Nun, die An­zahl der Tran­sis­to­ren (FET oder bi­po­lar), die ich in Er­wä­gung ge­zo­gen ha­be, ist be­grenzt. Tat­säch­lich bin ich auch kein Ana­log-Pro­fi der 100+ Tran­sis­tor­kenn­li­ni­en im Kopf hat und die Wahr­schein­lich­keit, dass der TIP102 das Non-Plus-Ultra ist wird wohl eher ge­ring sein.

Viel­leicht ken­nen Sie ei­nen, der bes­sere Ei­gen­schaf­ten auf­weist, pro­bie­ren Sie ihn, wa­rum nicht?

Jörg Schulze-Clewing hat mich auf den FQP19N20 ge­bracht, ei­nen FET bei dem die SOA im Rah­men un­serer Schal­tung kaum ins Ge­wicht fällt und der tat­säch­lich ein gu­tes Stück mehr könn­te als der TIP102.

Aber ich habe im­mer noch Angst vor FETs in die­ser Schal­tung, so dass ich nach wie vor bei mei­nem TIP102 blei­be. In mei­nen Si­mu­la­tio­nen ist es schwie­rig bis un­möglich, die Schal­tung mit einem FET bei größeren ex­ter­nen In­duk­ti­vi­tä­ten (sa­gen wir, 100 µH..1 mH) sta­bil zu hal­ten. Mit ei­nem bi­po­la­ren Tran­sistor ist das we­sent­lich leich­ter. Im ak­tu­el­len Lay­out gibt es ei­ne ne­ga­ti­ve Ver­sor­gung (als Be­stückungs­opt­ion) um auch Non-Rail-To-Rail-OPs ver­wenden zu kön­nen, nament­lich den Klas­siker OP07. Auch das Pin­out ent­spricht dem des OP07. Zahl­rei­che Al­ter­na­ti­ven zum Aus­pro­bie­ren sind so ver­füg­bar. Die Schal­tung ist, je nach Di­men­si­onie­rung der Gate- bzw. Basis-Be­schal­tung, ge­eignet einen FET oder ei­nen bi­po­la­ren (Dar­ling­ton-) Tran­sistor anzu­steu­ern.

Tatsächlich ist sogar die Pin­be­le­gung des TIP102 mit der des FQP19N20 kom­pa­ti­bel. Nur die Ba­sis/Gate-Be­schal­tung müs­sen Sie ent­spre­chend an­pas­sen.

Ein Vorteil des FETs wäre, dass er die Last bis herunter auf ei­ni­ge hun­dert Mil­li­volt be­reit­stel­len kann (zuzüglich der 500 mV des Sense-Wi­der­stan­des...). Die 1.2 V-Ver­sor­gung eines Hoch­leis­tungs-Pro­zes­sors kön­nen Sie mit dem TIP nicht tes­ten. Al­ler­dings brau­chen die auch regel­mäßig 100 A oder mehr!

Berechnung des Stroms aus der SOA

In unserer Schaltung wol­len wir den Tran­sistor na­tür­lich stets in­ner­halb der SOA be­trei­ben. Wir benö­tigen also eine Funk­tion, die uns den ma­xi­mal zu­läs­si­gen Strom bei der an­lie­gen­den Span­nung be­rech­net.

Die drei Ab­schnit­te in der SOA (ma­xi­ma­ler Last­strom, kon­stan­te Verlust­leis­tung und Zwei­ter Durch­bruch) sind in obi­gem Dia­gramm je­weils Ge­ra­den.

Al­lge­mein ist ei­ne Ge­ra­de in der dop­pelt lo­ga­rith­mi­schen Dar­stel­lung eine Funk­tion der Form y=a*x^b. An­hand zwei­er Wer­te­paare aus dem SOA-Dia­gramm kön­nen wir die Koef­fi­zi­en­ten a und b be­rech­nen:
b=log(i1/i2)/log(u1/u2) und
a=i1/u1^b oder a=i2/u2^b was dasselbe Er­geb­nis lie­fert.

Der erste Ab­schnitt ist tri­vi­al, der Strom darf nicht mehr als ei­ne ge­ge­be­ne Kon­stan­te (4 A) sein.
Tat­säch­lich, wenn wir es mit ei­nem Wer­te­paar aus dem Dia­gramm nach­prü­fen er­hal­ten wir b=0 und a=4.

Berechnen wir a und b an­hand zwei­er Wer­te­paa­re aus dem SOA-Dia­gramm für den zwei­ten Ab­schnitt er­halten wir er­war­tungs­gemäß a=80 (die maxi­male Ver­lust­leistung) und b=-1, also I=80 (W)/U.

Genauso kön­nen wir für den Zweiten Durch­bruch an­hand zwei­er Werte­paare die Koef­fi­zien­ten für die Glei­chung be­rech­nen. Lei­der ist da­bei der Ex­po­nent nicht ein­fach -1 so dass zur Berech­nung eine zeit­auf­wän­di­ge Expo­nential­funktion nötig ist.

Tat­säch­lich dau­ert die Be­rech­nung so lan­ge dass sie nicht di­rekt im In­ter­rupt mög­lich ist.

Um schnell auf ge­än­der­te Last­span­nung rea­gie­ren zu kön­nen wird beim Start des Sys­tems aus den Grenz­daten für die SOA eine Lookup-Table be­rech­net wo­mit der ADC-In­ter­rupt die Mög­lich­keit hat auf Än­der­un­gen der Ver­sor­gung zu re­agie­ren be­vor die­se für den Tran­sis­tor ge­fähr­lich wer­den kann.

Sobald die Last­situ­ati­on die SOA nach rechts (also in Rich­tung höherer Span­nung) ver­lässt wird der Strom (noch im ADC-In­ter­rupt) ent­spre­chend re­du­ziert und der SOA-Feh­ler ge­setzt. Nur so kann opti­ma­ler Schutz für den Tran­sistor gewähr­leis­tet wer­den.

Derating

Als wären die Be­schrän­kun­gen durch die SOA noch nicht schlimm ge­nug, sie gel­ten für eine (Case-) Tem­pera­tur von ma­xi­mal 25°C. So­bald die Tem­pe­ra­tur über 25°C steigt müs­sen wir die ma­xi­ma­le Ver­lust­leis­tung li­near ver­ring­ern bis sie bei 150°C 0 ist. Dies gilt na­tür­lich nicht nur für die im Da­ten­blatt an­ge­ge­bene maxi­male Ver­lust­leis­tung son­dern auch für die Gren­ze des Zweiten Durch­bruchs wie wir ihn aus dem SOA-Dia­gramm ent­neh­men kön­nen.

Die Lookup-Table erweist sich hier als güns­tig, denn die Span­nung ist ja pro Ein­trag vor­ge­ge­ben. Um die Leis­tung mit ei­nem be­stimm­ten Fak­tor zu multi­pli­zie­ren reicht es hier aus, den er­mit­tel­ten Strom da­mit zu multi­pli­zie­ren. Dies kön­nen wir leicht in In­te­ger-Arith­me­tik durch­füh­ren was re­la­tiv schnell geht und auch im In­ter­rupt noch mög­lich ist.