MOSFETの安全動作領域（SOA）評価試験

1 概述

電源モジュール試験とは、電源モジュールの性能、機能、信頼性を検査・検証するプロセスです。電源モジュールは電子機器において重要な部品であり、機器の正常な動作を保証するために安定した電源を供給する役割を担っています。そのため、電源モジュール試験を実施することは、機器の正常な動作を保証するための重要なステップとなります。パワーモジュール試験には通常、入力電圧範囲試験、出力電圧試験、負荷容量試験、温度試験、EMC試験、安全性試験などが含まれます。今回は、パワー解析オプション内のオシロスコープを使用して、MOS管の安全ゾーンを試験する方法をご紹介します。

2 意味

MOSFETの安全動作領域（SOA）は、デバイスが自己損傷することなく動作できるMOSFEの電圧、電流、および消費電力の制限条件を定義します。オシロスコープは、設定メニューで設定された電圧制限、電流制限、消費電力制限パラメータに基づいてSOAを自動的に生成し、MOSFETにかかるストレスがSOAを超えたかどうかを判定します。これにより、設計者は回路の問題や潜在的なリスクを迅速に特定することができます。

3 解決策
3.1 はじめに
3.1.1 MOS管のSOA領域とその用途は？
SOA面積とは、MOSFETの安全動作面積のことで、英語ではSafe Operating Areaと言います。一般的なMOSFETはSOA曲線を示しますが、SOA面積とは、その曲線と面積で囲まれた横軸と縦軸を指します。下の図1に示すように、これはTIのPMOSモデルCSD25404Q3の安全動作領域曲線です：

図1

SOAゾーン（安全動作領域）——安全動作領域は、MOSFETの動作状態が安全かどうか、または電気的ストレスによる損傷のリスクがあるかどうかを評価するために使用されます。使用条件（電圧、電流、結晶温度など）がSOAで定められた領域を超えない限り、MOSFETは正常に動作します。

3.1.2 SOA曲線のいくつかの限界線は何を意味するのか？
図2 SOA回路図に示すように、SOAはRds(on)制限線、電流制限線、電力制限線、熱安定性制限線、耐圧制限線から構成されます。

図2

1、 SOAの概略図2の中で、青色の線がRds(on)制限線です。簡単に言うと、MOSFETが完全に導通しているとき、導通抵抗Rds(on)が存在します。このとき、MOSFETはオーム領域で動作しており、関係式Vds = Ids * Rds(on)が成り立ちます。Vgsと温度が固定された条件の下で、Rds(on)は一定の値となるため、この曲線は線形になります。図3に基づき、オームの法則を使ってRds(on) = 8.3mΩと計算されます。

図3

2、 SOAの概略図2の中で、赤色の線は電流制限線です。これは一般的にチップの最大パルスピーク電流Idmを指します。安全動作領域のテストには電流制限パラメータを設定する必要があります。

3、 SOAの概略図2の中で、緑色の線は等功率制限線です。このパラメータは、デバイスが許容する最大消費電力に基づいて計算されます。等功率制限線上のすべての点では、電力（電力 = 電圧 * 電流）の値が同じです。図4に基づき、最大電力は40Wです。安全動作領域のテストには電力制限パラメータを設定する必要があります。

図4

4、 SOAの概略図2の中で、紫色の線は熱安定性制限線です。簡単に言うと、実際の動作中において、電圧と電流はこの線を超えてはいけません。そうしないと、MOSFETは熱的不安定状態に陥り、損傷する恐れがあります。

5、 SOAの概略図2の中で、ピンク色の線は破壊電圧制限線です。これはMOSFETの耐圧を示し、一般的には仕様書に記載されたVds(max)と対応します。簡単な例として（CSD25404Q3Tを例に取ると）図5のようになります。安全動作領域のテストには電圧制限パラメータを設定する必要があります。

図5

3.1.3 なぜ1つのダイアグラムに複数のSOA曲線があるのか？

図6のように、CSD25404Q3Tには4つの制限線があり、それぞれ異なるパルス時間に対応しています。これは非常に理解しやすいことです。パルスの持続時間が長くなるほど、MOSFETが受ける電気的および熱的なストレスが大きくなり、損傷が発生しやすくなります。したがって、持続時間が短いほど、MOSFETが耐えられる電圧と電流は大きくなります。

図6

3.2 ネットワーキング
オシロスコープ：SDS6204 H12 Pro
電流プローブ：CP6030
高電圧差動プローブ: DPB5150
位相校正ボード：DF2001A

3.3 運用ステップ
1. パンチカードオシロスコープ分析 - パワー分析 - 分析の選択 - 安全作業エリア

2. 入力設定メニューで、入力電圧と入力電流に適切なチャンネルを設定します。観察したい持続時間を設定すると、オシロスコープはそれに基づいて自動的に時間軸を設定します。

3. 設定メニューで、テストするMOSFETデバイスのデータシートに基づいて電圧制限、電流制限、電力制限のパラメータを設定します。すると、オシロスコープはこれらのパラメータに基づいて自動的にSOAと入力電圧および入力電流チャンネルの垂直スケールを生成します。

4. テスト前に位相校正を行う必要があります。

入力設定内の遅延校正を使用して、オシロスコープやプローブの遅延を修正します。遅延校正は最初に一度実行する必要があり、またハードウェア設定のいかなる部分（例えば、異なるプローブ、異なるオシロスコープチャネルなど）が変更された場合や、環境温度が変化した場合に再実行する必要があります。以下は、DF2001Aテストボードを使用した手順です。下記の手順に従って操作してください。