Safe Operating Area (SOA)

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.

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...

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! I_max ist 4 A we­gen der Be­last­bar­keit des Sen­se-Wi­der­stan­des und U_max ist aus Si­cher­heits­grün­den 60 V. Höhere Span­nun­gen wä­ren nur mit ei­nem si­che­ren Schutz ge­gen Be­rüh­rung zu­läs­sig.

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 $y=a\cdot x^b$ Anhand zwei­er Wer­te­paa­re aus dem SOA-Dia­gramm kön­nen wir die Ko­ef­fi­zi­en­ten a und b be­rech­nen:
$b=\frac{\log \left(\frac{I_1}{I_2}\right)}{\log \left(\frac{U_1}{U_2}\right)}$ und
$a={\left(\frac{I_1}{U_1}\right)}^b$ oder $a={\left(\frac{I_2}{U_2}\right)}^b$ 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 $I=\frac{80}{U}$

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.