この記事でわかること
・安全動作領域の測定方法がわかる
・安全動作領域のディレーティング方法
・添付エクセルシートでSOA判定する
パワーMOSFETのデータシートには、
安全動作領域(SOA)が記載されています。
(SOA：Safety Operating Area)
ASO(Area of Safety Operation)とも呼ばれています。
FET使用の際は、このSOAを一瞬でも超えてはいけません。
本記事では、設計した回路のFETがSOAの範囲内か判定する方法を解説します。
本サイトからダウンロードできるExcelシートを用いることで、
測定データのSOA判定を簡単に確認できます。
SOAのディレーティング方法
データシートに記載されているSOAのグラフは、
ケース温度Ｔc＝25℃の場合です。
このため、『温度によってディレーティングする必要がある』と記載されています。
まずは、FETを動作させ、測定したケース温度Tcに対して、
SOAをディレーティングします。
温度測定については、熱電対が望ましいですが、
目安としてならば、放射温度計を使うのが簡単です。
測定の結果、ケース温度Tc＝100℃における
パルス幅1msラインのディレーティングを行う場合を例にして説明します。
電流制限領域のディレーティング
電流制限領域はドレイン電流の最大定格で決まります。
25℃においては、データシートに記載（IDP=36A)されています。
（東芝製パワーMOSFET TK9A60Dより）
先程のSOAのグラフでもIDmax(パルス)＝36Aになっています。
この最大ドレイン電流をディレーティングするには、
まず、この36Aがどのようにして決定しているか理解する必要があります。
パルス時のドレイン電流IDは過渡熱抵抗rthから求めることができます。
過渡熱抵抗rthとは、パルス印加時に発生する熱を電力で割った値です。
（つまり、1W印加したら何℃上がるかを示す）
過渡熱抵抗 rthは下記に示す関係になっています。
Tch＝rth(ch-c)×P＋Tc
Tch：チャネル温度（ジャンクション温度Tjとも呼ばれる）
P：消費電力
Tc：ケース温度
過渡熱抵抗のグラフはrth／Rth(ch-c)で表されています。
ここで、Rth(ch-c)はチャネル・ケース間熱抵抗です。
データシートより
Rth(ch-c)＝2.78 [℃/W]
この値を先程のTchの式に代入すると、
Tch＝Rth(ch-c) × P＋Tc
Tch＝150℃、Tc＝25℃なので、
150＝2.78 × P＋25
P ≒ 45 [W]
となり、データシート記載の許容損失PDと一致するので、
Rth(ch-c)は直流動作時の過渡熱抵抗の値とも言えます。
過渡熱抵抗rthから、パルス動作時の最大損失Pを求めます。
rth－twグラフより、単発パルスtw＝1msの時、
rth／Rth(ch-c)＝ 0.05
よって過渡熱抵抗 rth(ch-c) は、
rth(ch-c)＝2.78 × 0.05＝0.139 [℃/W]
先程と同様にTchの式に代入すると、
Tch ＝ rth(ch-c) × P＋Tc
150＝0.139 × P＋25
P ≒ 900 [W]
つまり、パルス1ms時は最大損失が900Wになります。
オン抵抗Ron－Tcグラフより
25℃の時、Ron＝0.7Ωなので、
IDmax＝ (P／R)0.5 ＝ (900／0.7)0.5 ≒ 36 [A]
となり、データシートの最大ドレイン電流(パルス) IDPの値と一致します。
Tc＝100℃の時は、グラフから、Ron＝1.15Ωなので、
IDmax＝ (P／R)0.5 ＝ (900／1.15)0.5 ≒ 28 [A]
以上の結果から、電流制限領域のディレーティングは、
ID＝36A→28Aに下げます。
熱制限領域のディレーティング
この領域は、先程求めたパルス1ms時の最大損失Pで決定されます。
Tc＝25℃時は最大損失P＝900Wなので、
VDS＝25Ｖ時のドレイン電流IDは、
ID＝900W／25V＝36 [A]
50Ｖでは、
ID＝900W／50V＝18 [A]
となり、
(VDS,ID)＝(25V,36A)、(50V,18A) を結ぶ直線が、
Tc＝25℃でのSOAのグラフと一致します。
この直線を同じ傾きのまま、下に平行移動させます。
Tc＝100℃の場合の最大損失は、
Tch ＝ rth(ch-c) × P＋Tc を用いて、
150℃＝0.139 × P＋100℃
P＝360 [W]
先程、ディレーティングした電流制限領域 ID＝28Aの時のVDSは
VDS＝360W／28A＝12.8 [V]
熱制限領域が終わるのは、Tc＝25℃と同じVDS＝50Ｖなので、
ID＝360W／50V＝7.2 [A]
以上から、熱制限領域のディレーティングは、
(VDS, ID) ＝ (12.8V, 28A)、(50V, 7.2A) を結ぶ直線になります。
二次降伏領域のディレーティング
この領域は、高温によりFETの抵抗成分が急減するので、
損失を抑えるためにドレイン電流を制限する必要がある事から、
グラフの傾きが熱制限領域より急になっています。
二次降伏領域のディレーティングは、
先程求めた熱制限領域に合わせて平行移動します。
まず、Tc＝25℃時の二次降伏領域の傾きをグラフから求めます。
VDS＝50Vの時、ID＝18 [A]
VDS＝600Vの時、ID＝0.02 [A]
を読み取ります。
両対数グラフなので、傾きaは以下になります。
a＝(log(0.02)－log(18))／(log(600)－log(50))
＝log(0.02/18)／log(600/50)
＝log(0.001)／log(12)
＝－2.954／1.079
＝－2.737
この傾きaを持つ直線が、
100℃で熱制限領域をディレーティングした点、
(VDS, ID)＝(50V, 7.2A) を通るようにします。
両対数グラフの直線は以下の式で表すことができます。
log ID＝a× log VDS ＋ log b （bは切片）
上の式は次のように変形できます。
log ID ＝ log(VDSa ×b)
＝ log(b × VDSa )
両辺の対数を取ると
ID＝b × VDSa
となります。
傾きaはわかっているので、bも求まります。
7.2A＝b × (50V)-2.737
b＝7.2A／[(50V)-2.737 ]
最大定格電圧600Vの時のIDは
ID＝b × VDSa
＝7.2A／[(50V)-2.737] × [(600V)-2.737]
＝7.2A×(600/50)-2.737
＝0.008 [A]
以上から、二次降伏領域のディレーティングは、
(VDS, ID)＝(50V, 7.2A)、(600V, 0.008A)を通る直線になります。
電圧制限領域は、ドレイン・ソース間の耐圧VDSSで決まる領域で、
データシートのドレイン電圧の最大定格の値600Vになります。
この値は温度による影響を受けないので、そのままです。
安全動作領域の測定方法
安全動作領域内で動作しているか判定するために
ドレイン電圧VDS、ドレイン電流IDをオシロスコープで測定します。
この時、測定データをCSV形式でダウンロードします。
（ダウンロード方法は後で説明）
ドレイン電流IDの測定は電流プローブを用いて下図のように行います。
＜注意＞
FETを基板から外す時は基板を痛めないように注意が必要です。
特にドレインＤと、ソースＳ端子は、パワー回路に接続されているので、
パターンが太く、半田コテを当てても熱が上がらず半田が溶けにくい為、
無理に取ろうとすると、スルーホールやパッドごと取れてしまいます。
安全確実に部品を外すための道具については、
下記記事で紹介しています。
測定したVDS－ID波形の例を示します。
注目するのは、VDSとIDが共に大きいターンオフの区間です。
この部分の測定データを細かく取る必要があるため、
図のようにターンオフ部分を拡大して測定します。
SOAのパルス幅は、このターンオフ期間120nsになります。
ここで、『パルス幅はゲートON期間の9usなのでは？』
と思うかもしれません。
それは、SOAで言う所のパルス幅とは、
ドレイン電流IDのパルス幅を意味します。
つまり、IDが図のようなtw＝１msの矩形波だとしたら、
電力量Wh＝P × T＝VDS × ID × 1ms の時に
パルス幅1msのSOAグラフを超えてはいけないという事です。
実際のスイッチング波形では、IDが矩形波にはならないので、
VDSとIDが共に大きい期間であるターンオフ時が最も電力量が大きい事から
ターンオフの区間をパルス幅としてします。
＜補足：オシロの波形データをCSV形式で取り込む方法＞
テクトロニクス製の場合、
[波形の保存]→[ファイル]→[スプレッドシート・ファイル・フォーマット(.CSV)]を選択
保存するchを指定するために
[ch〇を指定したファイルに保存]を選択すると、
CSVファイル形式で測定データが保存されます。
※この時、時間軸の分解能(サンプリング・レート)を上げ過ぎると、
データ量が膨大になり、エクセルでの処理に時間がかかります。
（データ数は1chあたり1万個以内が適切）
エクセルによるSOA判定方法
計測したVDSとIDの測定データを結合して、エクセルで両対数グラフを作成します。
下記にSOA用の両対数グラフのエクセルシートがあるので活用下さい。
※ダウンロード時のファイル名は「58fa06ddb247e99241022e3da78c92bd.xlsx」になっています。
次の手順でグラフを作成します。
①先程ディレーティングで求めたSOAグラフから、SOA領域を読み取り、
エクセルシートの安全動作領域(SOA)の項目に入力する。
②測定したVDS、IDのデータを、「測定データ」の項目に入力する
※このシートではデータ数は1万個まで入力可能です。
③対数グラフではゼロ以下の値を扱えないため、
エクセルシートの「負データ削除」で、
ゼロ以下のデータを限りなくゼロに近い正の値（ここでは0.001）にしています。
④入力したSOA領域と、測定データが表示されたグラフが表示されます。
SOA領域内に測定データが入っていればＯＫです。
★FETのスイッチング損失の計算方法について解説しています。
★トランジスタやFETの設計方法についてのまとめ記事です。
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