線性功率MOSFETS的輸出特性和應用設計

• 來源：宇芯電子 更新時間：2021-08-17 10:00:29點擊：6次

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  線性功率MOSFETS的輸出特性和應用設計

  
  

  本文來源：ECCN中電網(wǎng)

  
  

          電子負載，線性穩(wěn)壓器或A類放大器等應用程序在功率MOSFET的線性區(qū)域內(nèi)運行，這需要高功耗能力和擴展的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）特性。這種工作模式與通常使用功率MOSFET的方式不同，后者在開關模式應用中的作用類似于“開-關開關”。在線性模式下，由于同時發(fā)生高漏極電壓和電流，導致高功耗，功率MOSFET承受高熱應力。當熱電應力超過某個臨界極限時，硅中會出現(xiàn)熱熱點，從而導致器件失效。

  
  

  

  圖1 N溝道功率MOSFET的輸出特性

  
  

          圖1顯示了N溝道功率MOSFET的典型輸出特性，其中描述了不同的工作模式。在截止區(qū)域中，柵極源極電壓（VGS）小于柵極閾值電壓（VGS（th）），并且器件處于開路或關斷狀態(tài)。在歐姆區(qū)域，該器件用作電阻，其電阻RDS（on）幾乎恒定，且等于Vds / Ids。在線性工作模式下，該器件在“電流飽和”區(qū)域工作，該區(qū)域的漏極電流（Ids）是柵極-源極電壓（Vgs）的函數(shù)，并由下式定義：

  
  

  

  
  

          其中，K是取決于溫度和器件幾何形狀的參數(shù)，而gfs是電流增益或跨導。當漏極電壓（VDS）增大時，正漏極電勢與柵極電壓偏置相對，并降低了溝道中的表面電勢。溝道反轉(zhuǎn)層電荷隨Vds的增加而減少，最終，當漏極電壓等于（Vgs – Vgs（th））時，電荷變?yōu)榱恪Ｔ擖c稱為“溝道收縮點”，在該點上，漏極電流變?yōu)轱柡蚚2]。

   

          FBSOA是數(shù)據(jù)表的品質(zhì)因數(shù)，它定義了允許的最大工作點。圖2顯示了N溝道功率MOSFET的典型FBSOA特性。對于不同的脈沖持續(xù)時間，它受最大漏極至源極電壓VDSS，最大傳導電流IDM和恒定功率耗散線的限制。在該圖中，這組曲線顯示了一條DC線和4條單脈沖操作線，分別為10ms，1ms，100 us和25 us。每條線的頂部被截斷以限制最大漏極電流，并由器件的Rds（on）定義的正斜率線界定。每條線的右側(cè)終止于額定漏源電壓極限（Vdss）。每條線都有一個負斜率，并由器件Pd的最大允許功耗決定：

  
  

  

  
  

          其中ZthJC是結(jié)到外殼的瞬態(tài)端子阻抗，TJ（max）是MOSFET的最大允許結(jié)溫。

  
  

  

  圖2 N溝道功率MOSFET的典型FBSOA圖

  
  

          這些理論上恒定的功率曲線是從假設功率MOSFET管芯上的結(jié)溫基本均勻的計算中得出的。這種假設并不總是正確的，特別是對于大型裸片MOSFET。首先，焊接到功率封裝安裝片上的MOSFET管芯的邊緣的溫度通常比管芯的中心溫度低，這是橫向熱流的結(jié)果。其次，材料缺陷（管芯附著空隙，導熱油脂腔等）可能會導致局部導熱系數(shù)降低，即局部溫度升高。第三，摻雜劑濃度，柵極氧化物厚度和固定電荷的波動將引起MOSFET單元的局部閾值電壓和電流增益（gfs）的波動，這也將影響芯片的局部溫度。在開關模式下工作時，模具溫度變化幾乎無害。但是，它們可能會在線性模式操作中觸發(fā)災難性故障，其脈沖持續(xù)時間要長于從結(jié)點到散熱器的熱傳遞所需的時間。發(fā)現(xiàn)針對開關模式應用進行了優(yōu)化的現(xiàn)代功率MOSFET在FBSOA圖的右下角（圖2的電熱不穩(wěn)定性邊界右側(cè)的區(qū)域）中運行的能力有限。

   

          電熱不穩(wěn)定性（ETI）可以理解為功率MOSFET表面上強制進入線性工作模式的正反饋機制的結(jié)果：

   

          結(jié)溫局部升高

          這會導致局部降低Vgs（th）（MOSFET閾值電壓的溫度系數(shù)為負）

          這會導致局部電流密度Jds`（Vgs – Vgs（th））2增大

          局部電流密度的增加導致局部功耗的增加以及局部溫度的進一步升高。

   

          根據(jù)功率脈沖的持續(xù)時間，傳熱條件和MOSFET單元設計的特點，ETI可能導致所有MOSFET電流集中到電流燈絲中并形成“熱點”。這通常會使指定區(qū)域中的MOSFET單元失去柵極控制，并開啟寄生BJT，從而損壞器件。

  
  

  
  

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