理解功率MOSFET的RDS(ON)負溫度系數(shù)特性

小融一號

記得作者2002年做研發(fā)的時候，在熱插撥的應(yīng)用中就開始關(guān)注到這個問題，那時候很難找到相關(guān)的資料，最后在功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中根據(jù)相關(guān)的圖表找到導(dǎo)通電阻RDS(ON)的這個違背常理的特性，然后分享給一些客戶的研發(fā)工程師。

最近這些年相關(guān)這方面的資料也逐漸多起來，聽過AOS技術(shù)分享或看過相關(guān)資料的工程師應(yīng)該理解了這個特性，但是許多沒有關(guān)注過這方面資料的工程師聽到這個觀點后，估計會感到非常的驚訝和突然，因為通常的觀點都認為，MOSFET的導(dǎo)通電阻具有正的溫度系數(shù)，因此可以并聯(lián)工作。

當(dāng)多個并聯(lián)工作的功率MOSFET其中的一個溫度上升時，由于其具有正的溫度系數(shù)，導(dǎo)通電阻也增加，因此流過的電流減小，溫度降低，從而實現(xiàn)自動的均流達到平衡，這也是功率MOSFET相對于晶體管最具有優(yōu)勢的一個特性。同樣對于一個功率MOSFET器件的內(nèi)部也是有許多小晶胞并聯(lián)而成，晶胞的導(dǎo)通電阻具有正的溫度系數(shù)，因此并聯(lián)工作沒有問題。

但是，當(dāng)深入理解功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和溫度對其轉(zhuǎn)移特性的影響，就會發(fā)現(xiàn)，功率MOSFET的正溫度系數(shù)只有在MOSFET進入穩(wěn)態(tài)完全導(dǎo)通后的狀態(tài)下才能成立，在開關(guān)瞬態(tài)的過程中，上述理論并不成立，因此在實際的應(yīng)用中會產(chǎn)生一些問題，本文將詳細地論述這些問題，以糾正傳統(tǒng)認識的局限性和片面性。

1、功率MOSFET導(dǎo)通電阻RDS(ON)定義及溫度系數(shù)

在功率MOSFET數(shù)據(jù)表中，定義了功率MOSFET的導(dǎo)通電阻以及測量的條件，

如AON6590，VDS=40V，分別列出了VGS=10V、VGS=4.5V的RDS(ON)，如下圖所示。

測量的條件：ID = 20A。

導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)用歸一化的圖表列出：

圖1：MOSFET導(dǎo)通電阻溫度系數(shù)

看另外的一個MOSFET的測量條件：

在RDS(ON)的測量條件中，列出了測量電流，其中有一個隱含的條件，許多公司沒有列出來，那就是在測量脈沖電流的時間。

通常不同的公司使用不同的測量電流，有些公司直接使用基于硅片最高結(jié)溫的額定連續(xù)漏極電流ID，有些公司使用基于封裝限制的連續(xù)漏極IDPACK，有些公司在上述二者這間取一個中間值，而有些公司取比ID更小的電流值。

如果電流脈沖的時候足夠短，也就是硅片的溫度沒有升起來，那么在不同測量電流下導(dǎo)通電阻RDS(ON)的測量值差別不大，如果電流脈沖的時候比較長，那么硅片的溫度有足夠短時間升起來，此時測量的導(dǎo)通電阻RDS(ON)差別較大。測量的時間，有些公司用400uS，有些公司用250uS，有些公司用125uS，有些公司甚至比125uS的時間更短。

2、溫度對功率MOSFET轉(zhuǎn)移特征影響

在MOSFET的數(shù)據(jù)表中通常可以找到它的典型的轉(zhuǎn)移特性。注意到25℃和175℃兩條曲線有一個交點C，此交點對應(yīng)著相應(yīng)的VGS電壓和ID電流值。若稱這個交點C的VGS為轉(zhuǎn)折電壓，即0溫度系數(shù)ZTE(Zero Thermal Coefficient)電壓VGS-ZTC，可以看到：在VGS-ZTC電壓以下的左下部分曲線，如圖2的B點區(qū)，VGS電壓一定時，溫度越高，所流過的電流越大，IDB175>IDB25，溫度和電流形成正反饋，即MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)為負溫度系數(shù)，可以將這個區(qū)域稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域。  

圖2：MOSFET轉(zhuǎn)移特性

而在VGS-ZTC電壓的右上部分曲線，如圖2的A點區(qū)，VGS電壓一定時，溫度越高，所流過的電流越小，IDA25>IDA175，溫度和電流形成負反饋，即MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)的為正溫度系數(shù)，可以將這個區(qū)域稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域，也就是我們通常所說的完全導(dǎo)通狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)時，導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)區(qū)域。

記時當(dāng)時作者發(fā)表這篇文章的時候，有些讀者認為，VGS電壓較低時，雖然MOSFET開通了，但并不是完全導(dǎo)通狀態(tài)，因此不能稱為嚴格意義的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，而是應(yīng)該稱為RDS。事實上，嚴格意義的完全導(dǎo)通狀態(tài)并不明確，VGS=10V、8V、6V？既然對于MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)的定義，都有VGS=10V以及VGS=4.5V的條件，那么即便是VGS的電壓較低，此時MOSFET的D、S的電阻稱為導(dǎo)通電阻也沒有多大關(guān)系，何況只是一個標(biāo)稱。

3、功率MOSFET內(nèi)部晶胞的等效模型

在功率MOSFET的內(nèi)部由許多單元，即小的MOSFET晶胞并聯(lián)組成,在單位的面積上，并聯(lián)的MOSFET晶胞越多，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)就越小。同樣的，晶元的面積越大，那么生產(chǎn)的MOSFET晶胞也就越多，MOSFET的導(dǎo)通電阻RDS(ON)也就越小。所有單元的G極和S極由內(nèi)部金屬導(dǎo)體連接匯集在晶元的某一個位置，然后由導(dǎo)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并不完全一致，離匯集點越遠的單元，G極的等效串聯(lián)電阻就越大。

正是由于串聯(lián)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(dǎo)致各個晶胞單元電流不一致。在MOSFET開通的過程中，由于柵極電容的影響，會加劇各個晶胞單元電流不一致和晶胞的熱不平衡。

從圖3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于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(dǎo)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3：功率MOSFET的內(nèi)部等效模型

由于在開通的過程中VGS的電壓逐漸增大到驅(qū)動電壓，VGS的電壓穿越導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域，此時，那些溫度越高的晶胞單元，由于正反饋的作用，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在導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域工作或停留的時間越大，那么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從導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域到達導(dǎo)通電阻RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域時沒有形成局部的損壞，此時在導(dǎo)通電阻RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)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(yīng)的，在MOSFET關(guān)斷過程中，離柵極管腳距離遠的晶胞單元的電壓降低得慢，容易在導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域形成局部的過熱而損壞。

對于多管的并聯(lián)工作過程，和上述的原理相同，在導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)域工作，并不能實現(xiàn)理解的并聯(lián)均流。

因此，加快MOSFET的開通和關(guān)斷速度，使MOSFET快速通過導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負溫度系數(shù)區(qū)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。

負載開關(guān)及熱插拔較長時間工作在導(dǎo)通電阻的負溫度系數(shù)區(qū)，分立MOSFET組成的LDO一直工作在負溫度系數(shù)區(qū)，以后會推送文章說明這二種應(yīng)用設(shè)計的要點。

4、結(jié)論

(1) MOSFET在開通的過程中，導(dǎo)通電阻RDS(ON)從負溫度系數(shù)區(qū)域向正溫度系數(shù)區(qū)域轉(zhuǎn)化；在其關(guān)斷的過程中，導(dǎo)通電阻RDS(ON)從正溫度系數(shù)區(qū)域向負溫度系數(shù)區(qū)域過渡。

(2) MOSFET串聯(lián)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(dǎo)致各個晶胞單元電流不一致，在開通和關(guān)斷的過程中形成局部過熱損壞。快速開通和關(guān)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。

文章來源：微信公眾號 融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務(wù)平臺，項目眾包平臺）

成俊

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小融一號

成俊 發(fā)表于 2016-10-7 13:15
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