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 Nieveau. 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 be­deuted 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°. Sobald die Temperatur über 25° 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.