我們這堂課來講講電源結構最重要的其中一個元件—功率開關元件。

大功率的開關元件例如BJT、IGBT、MOSFET等，都有所謂的SOA（Safe Operating Area安全操作區域）、是用來評價大功率的開關元件操作是否安全可靠的判斷機制，甚至當大功率的開關元件發生損壞時，也是透過SOA的計算結果來加以確認。

我們這邊用最常用的MOSFET來舉例說明：

SOA（安全操作區域）

SOA是由5條limit線所圍起來的一個區域，在任何測試條件下都必須讓MOSFET操作在SOA的范圍之內，才能確保MOSFET在操作上是安全可靠的。

而這5條limit線分別為Rds-on、pulse電流、maximum功率、熱穩定與breakdown電壓

Rds-on limit線

SOA橫軸是Vds，縱軸是Ids，依據歐姆定律（V = I x R），斜率為Rds-on。

Rds-on為正溫度系數，當溫度低時，Rds-on電阻值也會比較低，在相同電壓下，就會得到較大的電流，而當溫度高時，Rds-on電阻值也會比較高，在相同電壓下，就會得到較小的電流，因此Rds-on limit線是浮動的。而一般data sheet內SOA的Rds-on limit線是建立在Tj=150℃下所繪制出來的曲線

以SPP20N60C3為例

先設定二個Vds電壓點，假設分別為2V與10V，再透過Rds-on對應Tj的曲線，得出Rds-on值，代入算式即可計算出此時之Id電流，描繪出Rds-on limit線

Pulse current limit線

高壓MOSFET的peak pulse電流是來自silicon的限制，而低壓MOSFET的peak pulse電流是來自包裝的限制。pulse電流是一個計算值（已標示在data sheet內）

以SPP20N60C3為例

透過上述算式得出Id，pulse電流值，即可描繪出Pulse current limit線

Maximum power limit線

Maximum power是建立在一個前提下的條件，功率的消耗會相等于功率的產生，

Tj = Tc +Δt，而Δt = VDS x ID x Zthjc，SOA在maximum power是電壓與電流乘積產生的功率，功率再乘以熱阻值就會產生溫升。

以SPP20N60C3為例

透過Zthjc與tp的曲線，對照出不同時間下的Zthjc，再透過算式先求出當Tc=25℃時所能提供的功率PD，再分別取二個Vds的電壓點來計算出電流，即可描繪出Maximum power limit線

Thermal stability limit線

依據熱穩定度實驗結果來修正SOA曲線

Breakdown voltage limit線

Breakdown voltage則是與溫度相關，它是正溫度系數，SOA的Breakdown voltage limit線是建立在Tj=25℃下所繪制出來的曲線

以SPP20N60C3為例

依照魚干我的經驗：腳越少的半導體元件處理起來比很多腳的IC更復雜，因為pin少所以要分析得更細更精辟…@@||

SOA的分析有利于在設計初期就先驗證理論上是否可行？理論上可行再套用在實際硬件上。

萬一不幸在硬件測試階段發生“事故”時，我們也可以從“幸存”的樣機上去測量波形、并套用SOA的分析去找出問題的原因及改善對策。

<小貼士>

本堂只是淺談MOSFET的SOA分析，其實MOSFET還有傳導損失（Conduction loss）及開關損失（Switching loss）需要再去計算與分析，這些會影響SOA的細節請待我們到”中”學堂的部份再深入探討唄^_^y