Selection of power MOSFET in drone battery power management

　　李全，劉松，張龍

　?。ㄈf(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件(深圳)有限公司，上海 靜安 200070）

　　摘要：本文探討了無(wú)人機(jī)電池充放電管理系統(tǒng)的功率MOSFET在大電流關(guān)斷過(guò)程中發(fā)生失效損壞的原因，分別從功率MOSFET在大電流線(xiàn)性區(qū)工作時(shí)內(nèi)部電場(chǎng)分布、空穴電流分布的電流線(xiàn)分布說(shuō)明其線(xiàn)性區(qū)工作特點(diǎn)和熱累積效應(yīng)，提出了提高功率MOSFET線(xiàn)性區(qū)可靠性的方法。最后通過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了方法的可行性和有效性。

　　關(guān)鍵詞：線(xiàn)性區(qū)；空穴電流；局部熱點(diǎn)；負(fù)溫度系數(shù)區(qū)

　　0 引言

　　無(wú)人機(jī)鋰離子電池的容量非常大，高達(dá)6000 mAh，以滿(mǎn)足更長(zhǎng)的飛機(jī)時(shí)間的需求。電池包的內(nèi)部通常和輸出的負(fù)載之間要串聯(lián)功率MOSFET，同時(shí)使用專(zhuān)用的IC控制MOSFET的開(kāi)關(guān)，從而對(duì)充、放電進(jìn)行管理。在實(shí)際應(yīng)用中，正常的情況下功率MOSFET的工作沒(méi)有問(wèn)題，但是在一些極端情況下，比如無(wú)人機(jī)在飛行過(guò)程中遇到碰撞時(shí)，電池就會(huì)流過(guò)非常大的電流，IC檢測(cè)到輸出過(guò)流后，要延時(shí)一段時(shí)間才能做出保護(hù)動(dòng)作，那么在延時(shí)的時(shí)間內(nèi)，由于MOSFET的工作電流非常大，MOSFET就會(huì)工作在線(xiàn)性區(qū)，這就要求MOSFET承受大電流沖擊的同時(shí)還要承受高電壓，MOSFET設(shè)計(jì)和選型就非常重要，否則會(huì)造成MOSFET的損壞，導(dǎo)致無(wú)人機(jī)從空中墜毀。

　　1 無(wú)人機(jī)電池包充放電管理的MOSFET工作特性

　　無(wú)人機(jī)電池包進(jìn)行大電流輸出測(cè)試，內(nèi)部MOSFET的工作波形如圖1所示，MOSFET在大電流測(cè)試的關(guān)斷過(guò)程中工作在線(xiàn)性區(qū)。

　　功率MOSFET工作特性有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、線(xiàn)性區(qū)和完全導(dǎo)通區(qū)。在完全導(dǎo)通區(qū)和線(xiàn)性區(qū)工作時(shí)候，都可以流過(guò)大的電流。圖2分別顯示了在完全導(dǎo)通區(qū)和線(xiàn)性區(qū)工作的電勢(shì)、空穴和電流線(xiàn)分布圖。理論上，功率MOSFET是單極型器件，對(duì)于N溝道的功率MOSFET，完全導(dǎo)通的時(shí)候，只有電子電流，沒(méi)有空穴電流。

　　功率MOSFET完全導(dǎo)通時(shí)，VDS的壓降低，耗盡層完全消失；功率MOSFET在線(xiàn)性區(qū)工作時(shí)，VDS的電壓比較高，耗盡層仍然存在，此時(shí)由于在EPI耗盡層產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，空穴也會(huì)產(chǎn)生電流，參入電流的導(dǎo)通。

　　空穴電流產(chǎn)生后，就會(huì)通過(guò)MOSFET內(nèi)部的BODY體區(qū)流向S極，這也導(dǎo)致有可能觸發(fā)寄生三極管，對(duì)功率MOSFET產(chǎn)生危害。由圖可見(jiàn)：線(xiàn)性區(qū)工作時(shí)產(chǎn)生明顯的空穴電流，電流線(xiàn)也擴(kuò)散到P型BODY區(qū)。

　　功率MOSFET在線(xiàn)性區(qū)工作時(shí)，器件同時(shí)承受高的電壓和高的電流時(shí)，會(huì)產(chǎn)生下面的問(wèn)題：

　?。?）內(nèi)部的電場(chǎng)大，注入更多的空穴。

　?。?）有效的溝道寬度比完全導(dǎo)通時(shí)小。

　　（3）降低Vth和降低擊穿電壓。

　?。?）Vth低，電流更容易傾向于局部的集中，形成熱點(diǎn)；負(fù)溫度系數(shù)特性進(jìn)一步惡化局部熱點(diǎn)。

　　功率MOSFET工作在線(xiàn)性區(qū)時(shí)，器件承受高的電壓，高的電壓偏置的耗盡層，導(dǎo)致有效的體電荷減小；工作電壓越高，內(nèi)部的電場(chǎng)越高，電離加強(qiáng)產(chǎn)生更多電子空穴對(duì)，形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致，局部區(qū)域達(dá)到臨界電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電離和更大的空穴電流，增加寄生三極管導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

　　2 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試

　　為了測(cè)量功率MOSFET的線(xiàn)性區(qū)工作特性，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路，使用AOS最新一代SGL1技術(shù)的MOSFET：AONS32100，導(dǎo)通電阻0.55 W，電壓為25 V，采用DFN5X6封裝。電路和測(cè)試波形如圖3所示。圖3中示出的是10 V/10 ms的SOA的測(cè)試波形，電路可以針對(duì)具體的使用相應(yīng)的測(cè)量條件，從而更加符合實(shí)際應(yīng)用的要求。

　　3 失效原因分析

　　如圖4所示，當(dāng)MOSFET 開(kāi)通時(shí)，導(dǎo)通阻抗R DS 從負(fù)溫度系數(shù)區(qū)（NTC工作區(qū)，導(dǎo)通電阻隨溫度升高而減?。┐┰降秸郎囟认禂?shù)區(qū)（PTC工作區(qū)，導(dǎo)通電阻隨溫度升高而增大）。在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，熱的單元有更低的導(dǎo)通壓降，周?chē)碾娏鲿?huì)聚集到這個(gè)區(qū)域。 ^[1-5]

　　當(dāng)電流進(jìn)一步聚集，熱的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生正反饋：?jiǎn)蝹€(gè)單元導(dǎo)通電阻更小，就會(huì)流過(guò)更多的電流，更多的電流會(huì)讓這個(gè)區(qū)域發(fā)熱量更大，溫度升高，溫度升高導(dǎo)致這個(gè)單元的導(dǎo)通電阻更小，在線(xiàn)性區(qū)形成正反饋。

　　一旦內(nèi)部單元形成正反饋，如果器件在線(xiàn)性區(qū)停留時(shí)間足夠長(zhǎng)，就會(huì)形成局部熱點(diǎn)，局部熱點(diǎn)的電流進(jìn)一步聚集到少數(shù)溫度更高的單元，這些單元的溫度就會(huì)進(jìn)一步升高。并且最終導(dǎo)致器件熱擊穿損壞。

　　4 改進(jìn)方法

　　增大Source Ballasting（源極填充物）阻抗， 提供負(fù)反饋是一個(gè)可行有效的辦法。例如當(dāng)FET2電流Ids2增大，F(xiàn)ET2 源極電阻電壓Vs2=Rsb2*Ids2就會(huì)升高，當(dāng)外部驅(qū)動(dòng)電壓Vg一致時(shí)，F(xiàn)ET2的有效驅(qū)動(dòng)電壓Vgs2=Vg-Vs2 就會(huì)減小，Ids2=(Vgs2-Vth)×gFS就會(huì)減小，從而形成負(fù)反饋系統(tǒng)，有效限制局部電流集聚效應(yīng)，提高器件線(xiàn)性區(qū)操作可靠性。溝槽MOSFET內(nèi)部由多個(gè)晶胞并聯(lián)組成，單個(gè)晶胞增大源極阻抗，并聯(lián)之后增加的阻抗可以忽略，不會(huì)額外增加器件的導(dǎo)通阻抗。

　　提高單元之間的間隔，防止鄰近單元相互加熱而形成局部熱點(diǎn)是另外的一種方法，由此帶來(lái)的導(dǎo)通電阻的增加，可以通過(guò)其它的方式來(lái)加以改善，如結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改變電場(chǎng)的形態(tài)和電流線(xiàn)的分布，從而降低導(dǎo)通電阻 ^[6] 。

　　優(yōu)化后的功率MOSFET線(xiàn)性區(qū)的工作性能如圖5所示，可以看到，AOS新一代采用TLM1技術(shù)的功率MOSFET，不但具有優(yōu)異的線(xiàn)性區(qū)性能，而且具有更低的導(dǎo)通電阻R DS（ON） ，為當(dāng)前無(wú)人機(jī)的電池包管理領(lǐng)域的應(yīng)用提供最佳解決方案。

　　5 結(jié)論

　　無(wú)人機(jī)電池包的管理應(yīng)用中，功率MOSFET在大電流測(cè)試的關(guān)斷過(guò)程中，工作于高壓大電流沖擊的線(xiàn)性區(qū)，需要使用具有優(yōu)異線(xiàn)性區(qū)工作特性的功率MOSFET。同時(shí)系統(tǒng)要求MOSFET具有低導(dǎo)通阻抗，以滿(mǎn)足大電流，低損耗，發(fā)熱量低的要求。

　　參考文獻(xiàn)

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　　[2] 劉松.基于漏極導(dǎo)通區(qū)特性理解MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程.今日電子,2008,11:74-75

　　[3] 劉松.理解功率MOSFET的電流.今日電子,2011,11:35-37

　　[4] 劉松.脈沖漏極電流IDM及短路保護(hù).今日電子,2018,1:21-23

　　[5] 劉松,陳均,林濤.功率MOS管Rds(on)負(fù)溫度系數(shù)對(duì)負(fù)載開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)影響.電子技術(shù)應(yīng)用,2010,12(36):72-74

　　[6] 劉松.超結(jié)型高壓功率MOSFET結(jié)構(gòu)工作原理.今日電子,2013,11:30-31

　　本文來(lái)源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第5期第69頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處