認識線(xiàn)性功率MOSFET

本文針對MOSFET的運作模式，組件方案，以及其應用范例進(jìn)行說(shuō)明，剖析標準MOSFET的基本原理、應用優(yōu)勢，與方案選擇的應用思考。

線(xiàn)性MOSFET是線(xiàn)性模式應用時(shí)最合適的選擇，能夠確?？煽康倪\作。然而，用于線(xiàn)性模式應用時(shí)，標準MOSFET容易產(chǎn)生電熱不穩定性，從而可能導致組件損壞。A類(lèi)音訊放大器、主動(dòng)式DC-link放電、電池充放電、浪涌電流限制器、低電壓直流馬達控制或電子負載等線(xiàn)性模式應用，都要求功率 MOSFET組件在電流飽和區內運行。

了解線(xiàn)性模式運作
在功率 MOSFET 的線(xiàn)性工作模式下，高電壓和高電流同時(shí)出現，因此通常MOSFET的功率消耗水平高于較常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)模式應用。

圖一顯示奧姆區、非線(xiàn)性區以及飽和或稱(chēng)主動(dòng)區，這三個(gè)不同的區域代表功率MOSFET的輸出特性。

*主動(dòng)區：MOSFET溝道由于有多數電荷載流子而飽和ID獨立于VDS。ID僅由VGS控制，并且對于任何給定VDS保持恒定。換言話(huà)說(shuō)，MOSFET表現出恒定電流吸收器的行為。

*非線(xiàn)性區：MOSFET的電阻呈現非線(xiàn)性行為，ID隨著(zhù)VDS而增加的速度減慢。

*奧姆區：對于給定柵源電壓VGS，漏極電流ID與漏源電壓VDS成正比。MOSFET在這種工作模式下充當電阻器，數值等于其導通電阻RDS(ON)。


 
圖一 : 功率MOSFET輸出特性

標準MOSFET不適合線(xiàn)性模式運作
當功率生成速率高于功率耗散速率時(shí)，線(xiàn)性模式下較大的功率耗散PD會(huì )引起電熱不穩定性（electro-thermal instability；ETI），可以理解為功率 MOSFET強制進(jìn)入線(xiàn)性運作模式。通常，MOSFET 裸晶邊緣（芯片焊接到功率封裝之安裝片的位置）的溫度低于裸晶中心的溫度，這是橫向熱流的結果。

實(shí)際上，功率 MOSFET的管芯結溫Tvj并不均勻。雖然芯片溫度變化在開(kāi)關(guān)模式運作中大多是無(wú)害的，但在線(xiàn)性模式工作中，這些溫度變化會(huì )引發(fā)災難性故障。表面上的正回饋破壞機制帶來(lái)的結果：

*結溫 Tvj局部升高

*由于負溫度系數，提高芯片溫度會(huì )導致閘極閾值電壓VGSTH局部降低

*降低閾值電壓引起了局部電流密度JDS增加，使得DS~(VGS~VGSTH)2

*電流密度的增加導致局部功率耗散增加，從而引起結溫進(jìn)一步局部升高

MOSFET 等效電路包含寄生的NPN晶體管，其本身由n和p摻雜區序列形成，如圖二所示。根據功率脈沖的持續時(shí)間、傳熱條件和 MOSFET 單元的設計，ETI 可能會(huì )導致所有漏極電流集中到電流燈絲中并形成熱點(diǎn)，這通常會(huì )導致受影響區域中的 MOSFET單元失去閘極控制，并開(kāi)啟寄生晶體管，隨后造成組件的損壞。



 
圖二 : MOSFET 等效電路

線(xiàn)性 MOSFET方案的結構、制程與封裝
Littelfuse開(kāi)發(fā)一系列功率 MOSFET 結構和制程，稱(chēng)為線(xiàn)性 MOSFET L和L2系列，通過(guò)消除正回饋環(huán)路而提供擴展的正向偏置安全工作區（FBSOA），以應對 ETI 引起的問(wèn)題。線(xiàn)性L(fǎng)和線(xiàn)性L(fǎng)2 MOSFET 系列的主要區別在于工作電壓和信道電阻RDS(ON)。

這些組件的設計特點(diǎn)是晶體管單元非均勻分布，以及具有不同閾值電壓的單元。為了使晶體管不會(huì )在極端電應力條件下開(kāi)啟，各個(gè)單元的寄生晶體管均采用高度旁路設計。每個(gè)晶體管單元的源極都設計有一個(gè)鎮流電阻，以限制其電流。

采用這種方式設計的線(xiàn)性 MOSFET 通過(guò)抑制導致電熱不穩定性（ETI）的正回饋，實(shí)現擴展FBSOA功能。

Littelfuse 的線(xiàn)性 MOSFET組件采用多種分立封裝，提供寬泛的電壓和電流范圍，如圖三所示。線(xiàn)性MOSFET沒(méi)有特殊的閘極驅動(dòng)要求。IXYS閘極驅動(dòng)器系列 IXD_604適合這項用途，它采用標準 8 引腳 DIP、8 引腳 SOIC、帶有裸露金屬背面的8 引腳功率SOIC和 8 引腳 DFN (D2) 封裝供貨。



 
圖三 : Littelfuse線(xiàn)性MOSFET產(chǎn)品組合

線(xiàn)性MOSFET更適合線(xiàn)性模式應用
正向偏置安全工作區（FBSOA）是定義最大允許工作點(diǎn)的規格表評量指針（FOM），在 FBSOA限制范圍內運行對于MOSFET 的安全操作非常重要。典型FBSOA特性受到RDS(ON)限制線(xiàn)、電流限制線(xiàn)、功率限制線(xiàn)和電壓限制線(xiàn)的約束，如圖三所示。

比較標準 MOSFET 和線(xiàn)性 MOSFET 的規格表，可見(jiàn)線(xiàn)性 MOSFET 具有擴展的 FBSOA范圍。對于任何給定脈沖寬度，最大功率處理點(diǎn)都朝向電壓限制線(xiàn)移動(dòng)，如圖四。

鑒于線(xiàn)性模式工作的典型性質(zhì)，要求組件具有高功耗，線(xiàn)性MOSFET比標準 MOSFET更適合線(xiàn)性模式應用。因為與標準 MOSFET 相比，在 25μs、100μs、1ms、10ms 脈沖寬度和連續工作（DC）模式下，線(xiàn)性 MOSFET能夠處理的功率分別高出24%、31%、48%、73% 和 118%。



 
圖四 : 規格表 FBSOA 比較：標準MOSFET IXTH30N60P與線(xiàn)性 MOSFET IXTH30N60L2的對比

應用實(shí)例：電子負載
電子負載是吸收電流的測試儀器，通常用于測試各種負載條件下的 DC-DC 轉換器、燃料電池、電池、太陽(yáng)能電池板或電源等電源設備。圖四是電子負載的簡(jiǎn)化示意圖。

DUT通過(guò)控制電壓Vcontrol設定點(diǎn)加載所需的電流。線(xiàn)性MOSFET（S1、S2 ... 、Sn）用作調節通過(guò)負載的電流的可變電阻器。MOSFET 通常并聯(lián)以適應更高的功率。Littelfuse除了提供線(xiàn)性 MOSFET 和閘極驅動(dòng)器，還提供電子負載中常見(jiàn)的附加組件。如圖五所示，快速熔斷器（F1、F2、…、Fn）、單向和雙向瞬態(tài)電壓抑制器（TVS、TVS1、TVS2、…、TVSn）和用于半導體溫度監測的 NTC組件（NTC1、NTC2、…、 NTCn）。


 
圖五 : 基于線(xiàn)性MOSFET的電子負載的簡(jiǎn)化原理圖

線(xiàn)性 MOSFET 優(yōu)勢
在線(xiàn)性模式應用中，MOSFET通常以10ms或更長(cháng)的脈沖寬度在低頻下工作。1500V 2A的線(xiàn)性MOSFET IXTH2N150L是一款TO-247封裝組件，為電子負載應用的組件。我們在實(shí)驗室中將這款組件與最接近競爭組件1500V 2.5A TO-247封裝組件進(jìn)行測試和比較。

我們使用的FBSOA 測量裝置，包括一個(gè)產(chǎn)生用于測量的功率脈沖的設備、安裝在銅散熱器上的被測設備（DUT）和一個(gè)用于外殼溫度TC測量的熱電偶，如圖六a 所示。

在兩個(gè)DUT上，使用不同脈沖寬度來(lái)測量組件可以承受的最大功率，圖六b顯示兩款組件在使用各種脈沖寬度下的最大功率承受能力方面的定量比較。

我們可以觀(guān)察到，與競爭組件比較，Littelfuse組件能夠處理的功率明顯更高，特別是在長(cháng)脈沖寬度大于或等如10ms和連續工作時(shí)，這種穩健的性能可為線(xiàn)性模式應用提高整體系統可靠性。




圖六a : FBSOA測量的實(shí)驗室設置


 
圖六b : Littelfuse線(xiàn)性MOSFET與競爭組件對比

Littelfuse在線(xiàn)性模式應用的整個(gè)價(jià)值鏈中提供主要組件，例如線(xiàn)性MOSFET、閘極驅動(dòng)器、高速保險絲、TVS二極管和溫度感應解決方案。Littelfuse所有線(xiàn)性組件都經(jīng)過(guò) 100%測試，以保證 FBSOA性能、零組件的長(cháng)期供應，并且由于低結殼熱阻RthJC而具有高功耗能力。

（本文作者為L(cháng)ittelfuse產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監Jose Padilla、資深研發(fā)長(cháng)Vladimir Tsukanov和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師Aalok Bhatt）