線性功率MOSFETS的輸出特性和應用設計

• 來源：hth体育官网登录 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

  
  

          電子負載，線性穩壓器或A類放大器等應用程序在功率MOSFET的線性區域內(nei) 運行，這需要高功耗能力和擴展的正向偏置安全工作區（FBSOA）特性。這種工作模式與(yu) 通常使用功率MOSFET的方式不同，後者在開關(guan) 模式應用中的作用類似於(yu) “開-關(guan) 開關(guan) ”。在線性模式下，由於(yu) 同時發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(ge) 臨(lin) 界極限時，矽中會(hui) 出現熱熱點，從(cong) 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。在截止區域中，柵極源極電壓（VGS）小於(yu) 柵極閾值電壓（VGS（th）），並且器件處於(yu) 開路或關(guan) 斷狀態。在歐姆區域，該器件用作電阻，其電阻RDS（on）幾乎恒定，且等於(yu) Vds / Ids。在線性工作模式下，該器件在“電流飽和”區域工作，該區域的漏極電流（Ids）是柵極-源極電壓（Vgs）的函數，並由下式定義(yi) ：

  
  

  

  
  

          其中，K是取決(jue) 於(yu) 溫度和器件幾何形狀的參數，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(yu) 柵極電壓偏置相對，並降低了溝道中的表麵電勢。溝道反轉層電荷隨Vds的增加而減少，最終，當漏極電壓等於(yu) （Vgs – Vgs（th））時，電荷變為(wei) 零。該點稱為(wei) “溝道收縮點”，在該點上，漏極電流變為(wei) 飽和[2]。

   

          FBSOA是數據表的品質因數，它定義(yi) 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。對於(yu) 不同的脈衝(chong) 持續時間，它受最大漏極至源極電壓VDSS，最大傳(chuan) 導電流IDM和恒定功率耗散線的限製。在該圖中，這組曲線顯示了一條DC線和4條單脈衝(chong) 操作線，分別為(wei) 10ms，1ms，100 us和25 us。每條線的頂部被截斷以限製最大漏極電流，並由器件的Rds（on）定義(yi) 的正斜率線界定。每條線的右側(ce) 終止於(yu) 額定漏源電壓極限（Vdss）。每條線都有一個(ge) 負斜率，並由器件Pd的最大允許功耗決(jue) 定：

  
  

  

  
  

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

  
  

  

  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(cong) 假設功率MOSFET管芯上的結溫基本均勻的計算中得出的。這種假設並不總是正確的，特別是對於(yu) 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，這是橫向熱流的結果。其次，材料缺陷（管芯附著空隙，導熱油脂腔等）可能會(hui) 導致局部導熱係數降低，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(guan) 模式下工作時，模具溫度變化幾乎無害。但是，它們(men) 可能會(hui) 在線性模式操作中觸發災難性故障，其脈衝(chong) 持續時間要長於(yu) 從(cong) 結點到散熱器的熱傳(chuan) 遞所需的時間。發現針對開關(guan) 模式應用進行了優(you) 化的現代功率MOSFET在FBSOA圖的右下角（圖2的電熱不穩定性邊界右側(ce) 的區域）中運行的能力有限。

   

          電熱不穩定性（ETI）可以理解為(wei) 功率MOSFET表麵上強製進入線性工作模式的正反饋機製的結果：

   

          結溫局部升高

          這會(hui) 導致局部降低Vgs（th）（MOSFET閾值電壓的溫度係數為(wei) 負）

          這會(hui) 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。

   

          根據功率脈衝(chong) 的持續時間，傳(chuan) 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(si) 中並形成“熱點”。這通常會(hui) 使指定區域中的MOSFET單元失去柵極控製，並開啟寄生BJT，從(cong) 而損壞器件。

  
  

  
  

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