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認識線性功率MOSFET
 

【作者: Littelfuse】   2022年10月18日 星期二

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本文針對MOSFET的運作模式,元件方案,以及其應用範例進行說明,剖析標準MOSFET的基本原理、應用優勢,與方案選擇的應用思考。


線性MOSFET是線性模式應用時最合適的選擇,能夠確保可靠的運作。然而,用於線性模式應用時,標準MOSFET容易產生電熱不穩定性,從而可能導致元件損壞。A類音訊放大器、主動式DC-link放電、電池充放電、浪湧電流限制器、低電壓直流馬達控制或電子負載等線性模式應用,都要求功率 MOSFET元件在電流飽和區內運行。


了解線性模式運作

在功率 MOSFET 的線性工作模式下,高電壓和高電流同時出現,因此通常MOSFET的功率消耗水準高於較常見的開關模式應用。


圖一顯示歐姆區、非線性區以及飽和或稱主動區,這三個不同的區域代表功率MOSFET的輸出特性。


*主動區:MOSFET溝道由於有多數電荷載流子而飽和ID獨立於VDS。ID僅由VGS控制,並且對於任何給定VDS保持恆定。換言話說,MOSFET表現出恆定電流吸收器的行為。


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


*歐姆區:對於給定柵源電壓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,數值等於其導通電阻RDS(ON)



圖一 : 功率MOSFET輸出特性
圖一 : 功率MOSFET輸出特性

標準MOSFET不適合線性模式運作

當功率生成速率高於功率耗散速率時,線性模式下較大的功率耗散PD會引起電熱不穩定性(electro-thermal instability;ETI),可以理解為功率 MOSFET強制進入線性運作模式。通常,MOSFET 裸晶邊緣(晶片焊接到功率封裝之安裝片的位置)的溫度低於裸晶中心的溫度,這是橫向熱流的結果。


實際上,功率 MOSFET的管芯結溫Tvj並不均勻。雖然晶片溫度變化在開關模式運作中大多是無害的,但在線性模式工作中,這些溫度變化會引發災難性故障。表面上的正回饋破壞機制帶來的結果:


*結溫 Tvj局部升高


*由於負溫度係數,提高晶片溫度會導致閘極閾值電壓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,從而引起結溫進一步局部升高


MOSFET 等效電路包含寄生的NPN電晶體,其本身由n和p摻雜區序列形成,如圖二所示。根據功率脈衝的持續時間、傳熱條件和 MOSFET 單元的設計,ETI 可能會導致所有漏極電流集中到電流燈絲中並形成熱點,這通常會導致受影響區域中的 MOSFET單元失去閘極控制,並開啟寄生電晶體,隨後造成元件的損壞。



圖二 : MOSFET 等效電路
圖二 : MOSFET 等效電路

線性 MOSFET方案的結構、製程與封裝

Littelfuse開發一系列功率 MOSFET 結構和製程,稱為線性 MOSFET L和L2系列,通過消除正回饋環路而提供擴展的正向偏置安全工作區(FBSOA),以應對 ETI 引起的問題。線性L和線性L2 MOSFET 系列的主要區別在於工作電壓和通道電阻RDS(ON)。


這些元件的設計特點是電晶體單元非均勻分佈,以及具有不同閾值電壓的單元。為了使電晶體不會在極端電應力條件下開啟,各個單元的寄生電晶體均採用高度旁路設計。每個電晶體單元的源極都設計有一個鎮流電阻,以限制其電流。


採用這種方式設計的線性 MOSFET 通過抑制導致電熱不穩定性(ETI)的正回饋,實現擴展FBSOA功能。


Littelfuse 的線性 MOSFET元件採用多種分立封裝,提供寬泛的電壓和電流範圍,如圖三所示。線性MOSFET沒有特殊的閘極驅動要求。IXYS閘極驅動器系列 IXD_604適合這項用途,它採用標準 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線性MOSFET產品組合
圖三 : Littelfuse線性MOSFET產品組合

線性MOSFET更適合線性模式應用

正向偏置安全工作區(FBSOA)是定義最大允許工作點的規格表評量指標(FOM),在 FBSOA限制範圍內運行對於MOSFET 的安全操作非常重要。典型FBSOA特性受到RDS(ON)限制線、電流限制線、功率限制線和電壓限制線的約束,如圖三所示。


比較標準 MOSFET 和線性 MOSFET 的規格表,可見線性 MOSFET 具有擴展的 FBSOA範圍。對於任何給定脈衝寬度,最大功率處理點都朝向電壓限制線移動,如圖四。


鑒於線性模式工作的典型性質,要求元件具有高功耗,線性MOSFET比標準 MOSFET更適合線性模式應用。因為與標準 MOSFET 相比,在 25μs、100μs、1ms、10ms 脈衝寬度和連續工作(DC)模式下,線性 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與線性 MOSFET IXTH30N60L2的對比
圖四 : 規格表 FBSOA 比較:標準MOSFET IXTH30N60P與線性 MOSFET IXTH30N60L2的對比

應用實例:電子負載

電子負載是吸收電流的測試儀器,通常用於測試各種負載條件下的 DC-DC 轉換器、燃料電池、電池、太陽能電池板或電源等電源設備。圖四是電子負載的簡化示意圖。


DUT通過控制電壓Vcontrol設定點載入所需的電流。線性MOSFET(S1、S2 ... 、Sn)用作調節通過負載的電流的可變電阻器。MOSFET 通常並聯以適應更高的功率。Littelfuse除了提供線性 MOSFET 和閘極驅動器,還提供電子負載中常見的附加元件。如圖五所示,快速熔斷器(F1、F2、…、Fn)、單向和雙向瞬態電壓抑制器(TVS、TVS1、TVS2、…、TVSn)和用於半導體溫度監測的 NTC元件(NTC1、NTC2、…、 NTCn)。



圖五 : 基於線性MOSFET的電子負載的簡化原理圖
圖五 : 基於線性MOSFET的電子負載的簡化原理圖

線性 MOSFET 優勢

在線性模式應用中,MOSFET通常以10ms或更長的脈衝寬度在低頻下工作。1500V 2A的線性MOSFET IXTH2N150L是一款TO-247封裝元件,為電子負載應用的元件。我們在實驗室中將這款元件與最接近競爭元件1500V 2.5A TO-247封裝元件進行測試和比較。


我們使用的FBSOA 測量裝置,包括一個產生用於測量的功率脈衝的設備、安裝在銅散熱器上的被測設備(DUT)和一個用於外殼溫度TC測量的熱電偶,如圖六a 所示。


在兩個DUT上,使用不同脈衝寬度來測量元件可以承受的最大功率,圖六b顯示兩款元件在使用各種脈衝寬度下的最大功率承受能力方面的定量比較。


我們可以觀察到,與競爭元件比較,Littelfuse元件能夠處理的功率明顯更高,特別是在長脈衝寬度大於或等如10ms和連續工作時,這種穩健的性能可為線性模式應用提高整體系統可靠性。



圖六a : FBSOA測量的實驗室設置
圖六a : FBSOA測量的實驗室設置

圖六b : Littelfuse線性MOSFET與競爭元件對比
圖六b : Littelfuse線性MOSFET與競爭元件對比

Littelfuse在線性模式應用的整個價值鏈中提供主要元件,例如線性MOSFET、閘極驅動器、高速保險絲、TVS二極體和溫度感應解決方案。Littelfuse所有線性元件都經過 100%測試,以保證 FBSOA性能、零組件的長期供應,並且由於低結殼熱阻RthJC而具有高功耗能力。


(本文作者為Littelfuse產品行銷總監Jose Padilla、資深研發長Vladimir Tsukanov和產品行銷工程師Aalok Bhatt)


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