理解功率MOSFET的RDSON溫度係數特性

2021-01-08 電子產品世界

許多資料和教材都認為，MOSFET的導通電阻具有正的溫度係數，因此可以並聯工作。當其中一個並聯的MOSFET的溫度上升時，具有正的溫度係數導通電阻也增加，因此流過的電流減小，溫度降低，從而實現自動的均流達到平衡。同樣對於一個功率MOSFET器件，在其內部也是有許多小晶胞並聯而成，晶胞的導通電阻具有正的溫度係數，因此並聯工作沒有問題。但是，當深入理解功率MOSFET的傳輸特性和溫度對其傳輸特性的影響，以及各個晶胞單元等效電路模型，就會發現，上述的理論只有在MOSFET進入穩態導通的狀態下才能成立，而在開關轉化的瞬態過程中，上述理論並不成立，因此在實際的應用中會產生一些問題，本文將詳細地論述這些問題，以糾正傳統認識的局限性和片面性。

功率MOSFET傳輸特徵

三極體有三個工作區：截止區、放大區和飽和區，而MOSFET對應的是關斷區、飽和區和線性區。MOSFET的飽和區對應著三極體的放大區，而MOSFET的線性區對應著三極體的飽和區。MOSFET線性區也叫三極區或可變電阻區，在這個區域，MOSFET基本上完全導通。

當MOSFET工作在飽和區時，MOSFET具有信號放大功能，柵極的電壓和漏極的電流基於其跨導保持一定的約束關係。柵極的電壓和漏極的電流的關係就是MOSFET的傳輸特性。

其中，μn為反型層中電子的遷移率，COX為氧化物介電常數與氧化物厚度比值，W和L分別為溝道寬度和長度。

溫度對功率MOSFET傳輸特徵影響

在MOSFET的數據表中，通常可以找到它的典型的傳輸特性。注意到25℃和175℃兩條曲線有一個交點，此交點對應著相應的VGS電壓和ID電流值。若稱這個交點的VGS為轉折電壓，可以看到：在VGS轉折電壓的左下部分曲線，VGS電壓一定時，溫度越高，所流過的電流越大，溫度和電流形成正反饋，即MOSFET的RDS(ON)為負溫度係數，可以將這個區域稱為RDS(ON)的負溫度係數區域。

圖1 MOSFET轉移特性

而在VGS轉折電壓的右上部分曲線，VGS電壓一定時，溫度越高，所流過的電流越小，溫度和電流形成負反饋，即MOSFET的RDS(ON)為正溫度係數，可以將這個區域稱為RDS(ON)正溫度係數區域。

功率MOSFET內部晶胞的等效模型

在功率MOSFET的內部，由許多單元，即小的MOSFET晶胞並聯組成,在單位的面積上，並聯的MOSFET晶胞越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)就越小。同樣的，晶元的面積越大，那麼生產的MOSFET晶胞也就越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)也就越小。所有單元的G極和S極由內部金屬導體連接匯集在晶元的某一個位置，然後由導線引出到管腳，這樣G極在晶元匯集處為參考點，其到各個晶胞單元的電阻並不完全一致，離匯集點越遠的單元，G極的等效串聯電阻就越大。

正是由於串聯等效的柵極和源極電阻的分壓作用，造成晶胞單元的VGS的電壓不一致，從而導致各個晶胞單元電流不一致。在MOSFET開通的過程中，由於柵極電容的影響，會加劇各個晶胞單元電流不一致。

功率MOSFET開關瞬態過程中晶胞的熱不平衡

從圖2可以看出：在開通的過程中，漏極的電流ID在逐漸增大，離柵極管腳距離近的晶胞單元的電壓大於離柵極管腳距離遠的晶胞單元的電壓，即VG1>VG2>VG3>…，VGS電壓高的單元，也就是離柵極管腳距離近的晶胞單元，流過的電流大，而離柵極管腳距離較遠的晶胞單元，流過的電流小，距離最遠地方的晶胞甚至可能還沒有導通，因而沒有電流流過。電流大的晶胞單元，它們的溫度升高。

圖2 功率MOSFET的內部等效模型

由於在開通的過程中VGS的電壓逐漸增大到驅動電壓，VGS的電壓穿越RDS(ON)的負溫度係數區域，此時，那些溫度越高的晶胞單元，由於正反饋的作用，所流過的電流進一步加大，晶胞單元溫度又進一步上升。如果VGS在RDS(ON)的負溫度係數區域工作或停留的時間越大，那麼這些晶胞單元就越有過熱擊穿的可能，造成局部的損壞。

如果VGS從RDS(ON)的負溫度係數區域到達RDS(ON)的正溫度係數區域時沒有形成局部的損壞，此時，在RDS(ON)的正溫度係數區域，晶胞單元的溫度越高，所流過的電流減小，晶胞單元溫度和電流形成負反饋，晶胞單元自動均流，達到平衡。

相應的，在MOSFET關斷過程中，離柵極管腳距離遠的晶胞單元的電壓降低得慢，容易在RDS(ON)的負溫度係數區域形成局部的過熱而損壞。

因此，加快MOSFET的開通和關斷速度，使MOSFET快速通過RDS(ON)的負溫度係數區域，就可以減小局部能量的聚集，防止晶胞單元局部的過熱而損壞。

基於上面的分析，可以得到：當MOSFET局部損壞時，若損壞的熱點位於離柵極管腳距離近的區域，則可能是開通速度太慢產生的局部的損壞；若損壞的熱點位於離柵極管腳距離遠的區域，則可能是關斷速度太慢產生的局部損壞。

在柵極和源極加一個大的電容，在開機的過程中，就會經常發生MOSFET損壞的情況，正是由於額外的大的輸入電容造成晶胞單元VGS電壓更大的不平衡，從而更容易導致局部的損壞。

結論

1．MOSFET在開通的過程中，RDS(ON)從負溫度係數區域向正溫度係數區域轉化；在其關斷的過程中，RDS(ON)從正溫度係數區域向負溫度係數區域過渡。

2．MOSFET串聯等效的柵極和源極電阻的分壓作用和柵極電容的影響，造成晶胞單元的VGS的電壓不一致，從而導致各個晶胞單元電流不一致，在開通和關斷的過程中形成局部過熱損壞。

3．快速開通和關斷MOSFET，可以減小局部能量的聚集，防止晶胞單元局部的過熱而損壞。開通速度太慢，距離柵極管腳較近的區域局部容易產生局部過熱損壞，關斷速度太慢，距離柵極管腳較遠的區域容易產生局部過熱損壞。

相關焦點

  • 功率MOSFET輸出電容的非線性特性
    但是，Crss和Coss還有一個非常重要的特性，就是非線性特性，這個特性會影響功率MOSFET的開關性能，比如開關過程中的柵極震蕩，功率MOSFET並聯工作的柵極震蕩，還會影響開關損耗以及橋式電路上下管死區時間計算的精度。[1-5]本文將分析Crss和Coss的非線性特性。
  • 深入理解功率MOSFET數據表中的各個參數
    在汽車電子的驅動負載的各種應用中,最常見的半導體元件就是功率MOSFET了。本文不準備寫成一篇介紹功率MOSFET的技術大全,只是讓讀者去了解如何正確的理解功率MOSFET數據表中的常用主要參數,以幫助設計者更好的使用功率MOSFET進行設計。　　數據表中的參數分為兩類:即最大額定值和電氣特性值。
  • 功率MOSFET安全工作區,真的安全嗎?
    事實上，這樣的校核方法並不正確，原因在於對於功率MOSFET的安全工作區曲線理解的偏差。本文將詳細的介紹功率MOSFET數據表中安全區的定義，從而讓工程師針對不同的應用，使用有效的方法校核其安全。　　1 功率MOSFET安全工作區SOA曲線　　功率MOSFET數據表中，安全工作區SOA曲線是正向偏置的安全工作區SOA曲線，即FBSOA曲線，那麼這個安全工作區SOA曲線是如何定義的呢?這個曲線必須結合功率MOSFET的耐壓、電流特性和熱阻特性，來理解功率MOSFET的安全工作區SOA曲線。
  • Nexperia 功率MOSFET電氣特性解讀(二)
    本文導讀MOSFET是電子系統中的重要部件，需要深入了解它的關鍵特性及指標才能做出正確選擇。
  • 高頻特性得到改善的功率MOSFET放大器電路及其工作原理
    電路的功能本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201610/308250.htm用於大功率的MOSFET功率放大器本電路使用了決定轉換速度的激勵器，而且還在輸出級採用了MOSFET，使高頻特性得以改善。輸出功率取決於電源電壓和負載。本電路能連續輸出100~150W並能承受負載短路。基本電路組成與限流保護電路的100W功率放大器相同，第二差動級是輸出用的功率MOSFET，2SJ77，電流密勒電路使用了2SK214。
  • 小科普|功率MOSFET的開通和關斷過程
    本文就MOSFET的開關過程進行相關介紹與分析，幫助理解學習工作過程中的相關內容。首先簡單介紹常規的基於柵極電荷的特性，理解MOSFET的開通和關斷的過程，然後從漏極導通特性、也就是放大特性曲線，來理解其開通關斷的過程，以及MOSFET在開關過程中所處的狀態。1、MOSFET開通和關斷過程的寄生參數示意圖如圖1所示，開通過程如圖2所示。
  • 功率MOSFET應用指南-1-功率損耗
    本文就來聊一聊關於MOSFET的總功率損耗Ptot在使用過程中容易被人誤解或者忽略的那些知識點。誤解1： 電路中MOSFET的功率小於限值表中的Ptot，Mosfet就是安全的。上面的理解是不對的。總功率損耗Ptot的定義是：在焊接襯底溫度維持在25℃時，器件達到最大結點溫度時所用的功率。
  • SiC-MOSFET與其他功率電晶體有何不同?
    近年來，使用「功率元器件」或「功率半導體」等說法，以大功率低損耗為目的二極體和電晶體等分立（分立半導體）元器件備受矚目。
  • 功率MOSFET的結構,工作原理及應用
    本文將介紹功率MOSFET(場效應管)的結構、工作原理及基本工作電路。為了改善某些參數的特性，如提高工作電流、提高工作電壓、降低導通電阻、提高開關特性等有 不同的結構及工藝，構成所謂VMOS、DMOS、TMOS等結構。圖2是一種N溝道增強型功率MOSFET(場效應管)的結構圖。雖然有不同的結構，但其 工作原理是相同的，這裡就不一一介紹了。
  • 被忽略的細節:理解MOSFET額定電壓BVDSS
    看到這個主題，可能有些工程師會問：多少伏的功率MOSFET，耐壓BVDSS不就是多少伏嗎?這裡面還有什麼被忽略的內容?細節決定技術，今天研究功率MOSFET數據表中BVDSS所隱藏的一些有意思的細節，來理解這個參數所設定的含義。
  • 東芝推出新款碳化矽MOSFET模塊,有助於提升工業設備效率和小型化
    應用用於軌道車輛的逆變器和轉換器可再生能源發電系統工業電機控制設備特性漏源額定電壓：VDSS＝3300V漏極額定電流：ID＝800A雙通道寬通道溫度範圍：Tch＝175℃低損耗：Eon＝250mJ（典型值）Eoff＝240mJ（典型值）
  • 基於GaN電晶體的特性測量交叉導通方案
    打開APP 基於GaN電晶體的特性測量交叉導通方案 賢集網 發表於 2021-01-08 14:37:30 今天，大多數電源路線圖都將
  • 碳化矽JFET助推功率轉換電路的設計方案
    此屬性對於需要功率場效應管（Sic JFET）的功率模塊應用程式特別有用，它可以監視其自身的運行狀況。在共源共柵結構中，功率MOSFET堆疊在JFET的頂部，並封裝在一起以獲得非常低的熱阻。MOSFET具有+/-20 V柵極額定值，具有ESD保護，並且具有5 V閾值，使其成為12V柵極驅動應用的理想選擇。 我們開發的650伏-1200伏碳化矽器件有許多潛在的應用領域，從汽車到可再生能源。見圖2。
  • 圖解MOSFET的寄生電容、VGS的溫度特性
    為了發揮MOSFET性能優勢，用戶除了詳細閱讀產品規格書外，有必要先了解MOSFET的寄生電容，開關性能，VGS(th)(界限値)，ID-VGS特性及其各自的溫度特性。MOSFET的寄生電容和溫度特性在構造上，功率MOSFET都存在寄生電容。MOSFET的G(柵極)端子和其他的電極間由氧化層絕緣，在DS(漏極、源極)間形成PN接合，成為內置二極體構造。
  • 捷捷微電:功率IC屬於集成電路產業 功率器件屬於半導體分立器件類別
    請教個技術問題，目前業界一般把功率半導體分類為功率IC和功率器件兩大類，請問功率IC和功率器件（mosfet/igbt這些）的區別是什麼？二者是並列關係還是上下遊集成度遞進關係？是功率IC集成了功率器件嗎？請指教公司回答表示，感謝您的關注！功率IC屬於集成電路產業，功率器件屬於半導體分立器件類別。IGBT對產品的一致性、可靠性、穩定性要求更高。
  • MOSFET陣列並聯放置多個功率MOSFET以減輕系統負擔
    您可能會在電源轉換系統中看到的一種布置是並聯放置多個功率MOSFET。這樣可以減輕多個MOSFET的負載，以減輕系統中各個電晶體的負擔。 不幸的是，MOSFET（通常是非線性元件）不能像並聯一組電阻一樣簡單地在它們之間分配電流。就像在單個MOSFET中一樣，現在熱量也成為考慮因素，因為它決定了MOSFET的閾值行為（同樣，這適用於任何實際的非線性電路）。
  • MOSFET結構及其工作原理詳解
    2.3.功率MOSFET的基本特性 2.3.1靜態特性MOSFET的轉移特性和輸出特性。 功率MOSFET的情況有很大的不同。它的dv/dt及di/dt的能力常以每納秒（而不是每微秒）的能力來估量。但儘管如此，它也存在動態性能的限制。這些我們可以從功率MOSFET的基本結構來予以理解。
  • 理解MOSFET時間相關及能量相關輸出電容Coss(tr)和Coss(er)
    關鍵詞：輸出電容；死區時間；開關損耗；超結　　0 引言　　功率MOSFET的數據表中，有些產品如超結的高壓功率MOSFET通常會列出輸出電容的三個特徵值：靜態輸出電容Coss、時間相關輸出電容Coss(tr)和能量相關輸出電容Coss(er)，而低壓和中壓的產品以及平面的高壓MOSFET很少列出後面的二個電容值，這主要和不同工藝的MOSFET的結構和電容特性有關
  • 三相1200V/450A SiC MOSFET電動汽車智能功率模塊
    但是，目前很難找到針對電動機驅動而優化的 SiC 功率模塊來適配不同的應用。更進一步，將快速開關的 SiC 功率模塊與柵極驅動器、去耦及水冷等整合為驅動總成，還要面對一些新的挑戰。因此，經過完全優化和高度集成的智能功率模塊解決方案，可以為客戶節省大量的開發時間和工程資源。
  • CISSOID宣布推出用於電動汽車的三相碳化矽(SiC)MOSFET智能功率模塊
    這項新的智能功率模塊技術提供了一種一體化解決方案，即整合了內置柵極驅動器的三相水冷式碳化矽MOSFET模塊。該可擴展平臺中的第一款產品是一個三相1200V/450A碳化矽MOSFET智能功率模塊，它具有低導通損耗特性，導通電阻為3.25毫歐（mOhm），同時具有低開關損耗特性，在600V/300A時導通和關斷能量分別為8.3mJ和11.2mJ。相比最先進的IGBT功率模塊，其將損耗降低了至少三倍。