SOA (Safety Operation Area) 파괴

SOA (Safety Operation Area)란?

SOA는 Safety Operation Area의 약자로, 안전 동작 영역을 의미합니다. MOSFET를 안전하게 사용하기 위해서는 SOA 범위 내에서 사용해야 하며, 이 범위를 벗어나게 되면 파괴될 가능성이 있습니다. 이러한 SOA 범위 밖 조건에서 동작시킨 경우의 파괴를 SOA 파괴라고 합니다. SJ MOSFET (Super Junction MOSFET) R6024KNX의 SOA를 예로 들어 설명하겠습니다.

SJ MOSFET R6024KNX의 SOA

SOA는 세로축 드레인 전류 I_D, 가로축 드레인 – 소스 전압 V_DS로 나타냅니다. 즉, V_DS, I_D 및 전력 손실 P_D (V_DS와 I_D를 곱한 값), 그리고 2차 항복 영역에 따라 MOSFET가 안전하게 동작할 수 있는 범위가 정해집니다. 또한, 전력 인가 펄스 폭 P_W도 SOA를 결정하는 중요한 요소입니다. SOA에는 상기 그래프와 같이 (1) ~ (5)의 영역이 있습니다.

SOA의 각 영역과 제한 및 파괴와의 관계

그림 (1) ~ (5) 영역에 대해 설명하겠습니다.

■영역 (1) : MOSFET의 ON 저항 R_DS(ON)에 의해 드레인 전류 I_D가 제한되는 영역

인가된 V_DS가 절대 최대 정격 미만이더라도 R_DS(ON)에 의해 I_D가 제한되는 영역입니다. 옴의 법칙 I=V/R에서 I_D는 적색 선까지만 흘릴 수 있습니다. ※그림의 영역은 V_GS＝10V일 때의 예

■영역 (2) : 펄스 인가 시 드레인 전류의 절대 최대 정격 I_DP에 의해 결정되는 영역

(2)의 녹색 선은 사양서로 제시된 절대 최대 정격 I_DP의 값입니다. 절대 최대 정격은 절대로 초과해서는 안되므로, 이 값을 초과하는 I_DP로는 사용할 수 없습니다. 이 값을 초과하는 영역 (전류치)에서 사용하게 되면, 동작 보증 범위에서 벗어나므로 파괴의 우려가 있습니다.

■영역 (3) : 열 제한 영역

MOSFET의 허용 손실 P_D에 의해 결정되는 영역입니다. 전력 인가 펄스 폭 P_W와 과도 열 저항에 의해 제한됩니다. 이 범위에 포함된다면 일반적으로 Tj는 절대 최대 정격 Tj_MAX를 초과하지 않으므로 안전하게 사용할 수 있습니다. 단, 이 영역은 주위 온도나 MOSFET의 실장 조건, 방열 조건 등에 따라 변동하므로 주의가 필요합니다. 또한, MOSFET를 스위칭시켜 사용하는 경우에는 순간적으로 고전압, 대전류가 인가되는 경우가 있으므로, 스위칭 과도 상태 시에도 영역 (3)의 제한을 넘지 않도록 주의해야 합니다.

■영역 (4) : 2차 항복 영역

고전압 인가 상태에서 전류를 흘리면, 소자 내에 국소적으로 대전류가 흘러 파괴되는 경우가 있으며, 이러한 현상을 2차 항복이라고 합니다. 이 범위는 2차 항복 상태를 피하기 위한 제한 라인입니다. 2차 항복 영역 역시, 영역 (3)의 열 제한 영역과 마찬가지로 주위 온도 등의 영향을 받습니다.

■영역 (5) : MOSFET의 드레인 – 소스 전압의 절대 최대 정격 V_DSS에 의해 결정되는 영역

사양서로 제시된 V_DSS에 의한 제한 영역으로, 이 범위를 초과하면 브레이크 다운이 발생하여 파괴의 원인이 됩니다. 플라이백 전압이나 기생 인덕턴스에 의한 전압 발생으로 인해 순간적으로 이 범위를 초과할 가능성이 있으므로 주의가 필요합니다.