Área de operación segura

Para dispositivos semiconductores de potencia (como BJT , MOSFET , tiristor o IGBT ), el área de operación segura (SOA) se define como las condiciones de voltaje y corriente bajo las cuales se espera que el dispositivo opere sin autodaño. ^{[ 1 ]}

El área de operación segura ( SOA) se suele representar en las hojas de datos de los transistores mediante un gráfico, donde VCE ₍ tensión colector-emisor) se encuentra en el eje de abscisas y _ICE (corriente colector-emisor) en el eje de ordenadas ; la "zona segura" se refiere al área bajo la curva. La especificación SOA combina las diversas limitaciones del dispositivo (tensión máxima, corriente máxima, potencia máxima, temperatura de la unión , ruptura secundaria) en una sola curva, lo que permite un diseño simplificado de los circuitos de protección.

Con frecuencia, además de la calificación continua, también se trazan curvas SOA separadas para condiciones de pulso de corta duración (pulso de 1 ms, pulso de 10 ms, etc.).

La curva de área de operación segura (SOA) es una representación gráfica de la capacidad de manejo de potencia del dispositivo bajo diversas condiciones. La curva SOA tiene en cuenta la capacidad de conducción de corriente de la unión de los cables, la temperatura de la unión del transistor, la disipación de potencia interna y las limitaciones de ruptura secundaria.

Cuando tanto la corriente como el voltaje se representan en escalas logarítmicas , los límites del SOA son líneas rectas:

Las especificaciones SOA son útiles para el ingeniero de diseño que trabaja en circuitos de potencia, como amplificadores y fuentes de alimentación, ya que permiten evaluar rápidamente los límites de rendimiento del dispositivo, diseñar circuitos de protección adecuados o seleccionar un dispositivo más potente. Las curvas SOA también son importantes en el diseño de circuitos de realimentación .

Para un dispositivo que utiliza el efecto de ruptura secundaria, consulte el transistor de avalancha.

La ruptura secundaria es un modo de fallo en los transistores de potencia bipolares. En un transistor de potencia con una gran área de unión, bajo ciertas condiciones de corriente y voltaje, la corriente se concentra en un pequeño punto de la unión base-emisor. Esto provoca un calentamiento local, que progresa hasta un cortocircuito entre el colector y el emisor. Esto suele conducir a la destrucción del transistor. La ruptura secundaria puede ocurrir tanto con la base en polarización directa como inversa. ^{[ 2 ]} Excepto a bajos voltajes colector-emisor, el límite de ruptura secundaria restringe la corriente del colector más que la disipación de potencia en estado estacionario del dispositivo. ^{[ 3 ]} Los MOSFET de potencia más antiguos no presentaban ruptura secundaria, ya que su área de operación segura estaba limitada únicamente por la corriente máxima (la capacidad de los cables de conexión), la disipación de potencia máxima y el voltaje máximo. Esto ha cambiado en los dispositivos más recientes, como se detalla en la siguiente sección. ^{[ 4 ]} Sin embargo, los MOSFET de potencia tienen elementos parásitos PN y BJT dentro de la estructura, que pueden causar modos de fallo localizados más complejos que se asemejan a la ruptura secundaria.

En sus inicios, los MOSFET se caracterizaron por la ausencia de ruptura secundaria. Esta ventaja se debía a que la resistencia de encendido aumenta con la temperatura, de modo que la parte del MOSFET que se calienta más (por ejemplo, debido a irregularidades en la unión del chip, etc.) transporta una menor densidad de corriente, lo que tiende a uniformizar las variaciones de temperatura y a prevenir puntos calientes. Recientemente, se han comercializado MOSFET con una transconductancia muy alta , optimizados para la conmutación. Cuando se operan en modo lineal, especialmente con altos voltajes drenador-fuente y bajas corrientes de drenador, el voltaje puerta-fuente tiende a estar muy cerca del voltaje umbral . Desafortunadamente, el voltaje umbral disminuye a medida que aumenta la temperatura, por lo que si existen ligeras variaciones de temperatura en el chip, las regiones más calientes tenderán a transportar más corriente que las regiones más frías cuando Vgs esté muy cerca de Vth. Esto puede provocar un desbordamiento térmico y la destrucción del MOSFET, incluso cuando opera dentro de sus valores nominales de Vds, Id y Pd. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Algunos MOSFET (generalmente caros) están especificados para operar en la región lineal e incluyen diagramas SOA de CC, por ejemplo, IXYS IXTK8N150L. ^{[ 7 ]}

Los transistores requieren cierto tiempo para apagarse, debido a efectos como el tiempo de almacenamiento de portadores minoritarios y la capacitancia. Durante el apagado, pueden dañarse dependiendo de cómo responda la carga (especialmente con cargas inductivas mal amortiguadas ). El área de operación segura en polarización inversa ( RBSOA ) es el SOA durante el breve tiempo previo a que el dispositivo pase al estado de apagado, durante el corto tiempo en que se invierte la polarización de la corriente de base. Siempre que la tensión y la corriente del colector permanezcan dentro del RBSOA durante todo el apagado, el transistor no sufrirá daños. Normalmente, el RBSOA se especifica para diversas condiciones de apagado, como el cortocircuito entre la base y el emisor, pero también para protocolos de apagado más rápidos en los que se invierte la polarización de la tensión base-emisor.

El RBSOA muestra dependencias distintas en comparación con el SOA normal. Por ejemplo, en los IGBT, la región de alta corriente y alto voltaje del RBSOA se interrumpe cuando el voltaje del colector aumenta demasiado rápido. ^{[ 8 ]} Dado que el RBSOA está asociado con un proceso de apagado muy breve, no está limitado por el límite de disipación de potencia continua.

La zona de funcionamiento segura ordinaria (cuando el dispositivo está encendido) puede denominarse zona de funcionamiento segura con polarización directa (o FBSOA ) cuando existe la posibilidad de confundirla con la RBSOA.

La forma más común de protección SOA utilizada con transistores de unión bipolar detecta la corriente colector-emisor mediante una resistencia en serie de bajo valor . La tensión aplicada a esta resistencia se dirige a un pequeño transistor auxiliar que progresivamente "roba" corriente de base del dispositivo de potencia a medida que deja pasar el exceso de corriente de colector.

Otro método de protección consiste en medir la temperatura de la superficie exterior del transistor, como estimación de la temperatura de la unión, y reducir la corriente que llega al dispositivo o apagarlo si la temperatura es demasiado alta. Si se utilizan varios transistores en paralelo, basta con monitorizar la temperatura de la carcasa de unos pocos para proteger a todos los dispositivos conectados en paralelo.

Este enfoque es eficaz, pero no infalible. En la práctica, es muy difícil diseñar un circuito de protección que funcione en todas las condiciones, y corresponde al ingeniero de diseño sopesar las posibles condiciones de fallo frente a la complejidad y el coste de la protección.

• Reducción de potencia

• HA Schafft, JC French, Ruptura secundaria en transistores , IRE Trans. Electron Devices ED-9, 129-136 (1962). Archivado en línea el 14 de octubre de 2011 en Wayback Machine.
• Michaël Bairanzade, Comprensión de los parámetros de ruptura de transistores de potencia , Nodo de aplicación OnSemi AN1628/D en línea
• Documento técnico de Apex sobre el funcionamiento de amplificadores operacionales de potencia dentro de SOA