認(rèn)識(shí)線性功率MOSFET

本文針對(duì)MOSFET的運(yùn)作模式，組件方案，以及其應(yīng)用范例進(jìn)行說明，剖析標(biāo)準(zhǔn)MOSFET的基本原理、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，與方案選擇的應(yīng)用思考。

線性MOSFET是線性模式應(yīng)用時(shí)最合適的選擇，能夠確保可靠的運(yùn)作。然而，用于線性模式應(yīng)用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)MOSFET容易產(chǎn)生電熱不穩(wěn)定性，從而可能導(dǎo)致組件損壞。A類音訊放大器、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(dá)控制或電子負(fù)載等線性模式應(yīng)用，都要求功率 MOSFET組件在電流飽和區(qū)內(nèi)運(yùn)行。

了解線性模式運(yùn)作
在功率 MOSFET 的線性工作模式下，高電壓和高電流同時(shí)出現(xiàn)，因此通常MOSFET的功率消耗水平高于較常見的開關(guān)模式應(yīng)用。

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

*主動(dòng)區(qū)：MOSFET溝道由于有多數(shù)電荷載流子而飽和ID獨(dú)立于VDS。ID僅由VGS控制，并且對(duì)于任何給定VDS保持恒定。換言話說，MOSFET表現(xiàn)出恒定電流吸收器的行為。

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

*奧姆區(qū)：對(duì)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(dāng)電阻器，數(shù)值等于其導(dǎo)通電阻RDS(ON)。


 
圖一 : 功率MOSFET輸出特性

標(biāo)準(zhǔn)MOSFET不適合線性模式運(yùn)作
當(dāng)功率生成速率高于功率耗散速率時(shí)，線性模式下較大的功率耗散PD會(huì)引起電熱不穩(wěn)定性（electro-thermal instability；ETI），可以理解為功率 MOSFET強(qiáng)制進(jìn)入線性運(yùn)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(jié)果。

實(shí)際上，功率 MOSFET的管芯結(jié)溫Tvj并不均勻。雖然芯片溫度變化在開關(guān)模式運(yùn)作中大多是無害的，但在線性模式工作中，這些溫度變化會(huì)引發(fā)災(zāi)難性故障。表面上的正回饋破壞機(jī)制帶來的結(jié)果：

*結(jié)溫 Tvj局部升高

*由于負(fù)溫度系數(shù)，提高芯片溫度會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致局部功率耗散增加，從而引起結(jié)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(qū)序列形成，如圖二所示。根據(jù)功率脈沖的持續(xù)時(shí)間、傳熱條件和 MOSFET 單元的設(shè)計(jì)，ETI 可能會(huì)導(dǎo)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(dǎo)致受影響區(qū)域中的 MOSFET單元失去閘極控制，并開啟寄生晶體管，隨后造成組件的損壞。



 
圖二 : MOSFET 等效電路

線性 MOSFET方案的結(jié)構(gòu)、制程與封裝
Littelfuse開發(fā)一系列功率 MOSFET 結(jié)構(gòu)和制程，稱為線性 MOSFET L和L2系列，通過消除正回饋環(huán)路而提供擴(kuò)展的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA），以應(yīng)對(duì) ETI 引起的問題。線性L和線性L2 MOSFET 系列的主要區(qū)別在于工作電壓和信道電阻RDS(ON)。

這些組件的設(shè)計(jì)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(yīng)力條件下開啟，各個(gè)單元的寄生晶體管均采用高度旁路設(shè)計(jì)。每個(gè)晶體管單元的源極都設(shè)計(jì)有一個(gè)鎮(zhèn)流電阻，以限制其電流。

采用這種方式設(shè)計(jì)的線性 MOSFET 通過抑制導(dǎo)致電熱不穩(wěn)定性（ETI）的正回饋，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展FBSOA功能。

Littelfuse 的線性 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。線性MOSFET沒有特殊的閘極驅(qū)動(dòng)要求。IXYS閘極驅(qū)動(dòng)器系列 IXD_604適合這項(xiàng)用途，它采用標(biāo)準(zhǔn) 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(chǎn)品組合

線性MOSFET更適合線性模式應(yīng)用
正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）是定義最大允許工作點(diǎn)的規(guī)格表評(píng)量指針（FOM），在 FBSOA限制范圍內(nèi)運(yùn)行對(duì)于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(biāo)準(zhǔn) MOSFET 和線性 MOSFET 的規(guī)格表，可見線性 MOSFET 具有擴(kuò)展的 FBSOA范圍。對(duì)于任何給定脈沖寬度，最大功率處理點(diǎn)都朝向電壓限制線移動(dòng)，如圖四。

鑒于線性模式工作的典型性質(zhì)，要求組件具有高功耗，線性MOSFET比標(biāo)準(zhǔn) MOSFET更適合線性模式應(yīng)用。因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 相比，在 25μs、100μs、1ms、10ms 脈沖寬度和連續(xù)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(guī)格表 FBSOA 比較：標(biāo)準(zhǔn)MOSFET IXTH30N60P與線性 MOSFET IXTH30N60L2的對(duì)比

應(yīng)用實(shí)例：電子負(fù)載
電子負(fù)載是吸收電流的測(cè)試儀器，通常用于測(cè)試各種負(fù)載條件下的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、燃料電池、電池、太陽能電池板或電源等電源設(shè)備。圖四是電子負(fù)載的簡(jiǎn)化示意圖。

DUT通過控制電壓Vcontrol設(shè)定點(diǎn)加載所需的電流。線性MOSFET（S1、S2 ... 、Sn）用作調(diào)節(jié)通過負(fù)載的電流的可變電阻器。MOSFET 通常并聯(lián)以適應(yīng)更高的功率。Littelfuse除了提供線性 MOSFET 和閘極驅(qū)動(dòng)器，還提供電子負(fù)載中常見的附加組件。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(dǎo)體溫度監(jiān)測(cè)的 NTC組件（NTC1、NTC2、…、 NTCn）。


 
圖五 : 基于線性MOSFET的電子負(fù)載的簡(jiǎn)化原理圖

線性 MOSFET 優(yōu)勢(shì)
在線性模式應(yīng)用中，MOSFET通常以10ms或更長(zhǎng)的脈沖寬度在低頻下工作。1500V 2A的線性MOSFET IXTH2N150L是一款TO-247封裝組件，為電子負(fù)載應(yīng)用的組件。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中將這款組件與最接近競(jìng)爭(zhēng)組件1500V 2.5A TO-247封裝組件進(jìn)行測(cè)試和比較。

我們使用的FBSOA 測(cè)量裝置，包括一個(gè)產(chǎn)生用于測(cè)量的功率脈沖的設(shè)備、安裝在銅散熱器上的被測(cè)設(shè)備（DUT）和一個(gè)用于外殼溫度TC測(cè)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測(cè)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。

我們可以觀察到，與競(jìng)爭(zhēng)組件比較，Littelfuse組件能夠處理的功率明顯更高，特別是在長(zhǎng)脈沖寬度大于或等如10ms和連續(xù)工作時(shí)，這種穩(wěn)健的性能可為線性模式應(yīng)用提高整體系統(tǒng)可靠性。




圖六a : FBSOA測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置


 
圖六b : Littelfuse線性MOSFET與競(jìng)爭(zhēng)組件對(duì)比

Littelfuse在線性模式應(yīng)用的整個(gè)價(jià)值鏈中提供主要組件，例如線性MOSFET、閘極驅(qū)動(dòng)器、高速保險(xiǎn)絲、TVS二極管和溫度感應(yīng)解決方案。Littelfuse所有線性組件都經(jīng)過 100%測(cè)試，以保證 FBSOA性能、零組件的長(zhǎng)期供應(yīng)，并且由于低結(jié)殼熱阻RthJC而具有高功耗能力。

（本文作者為L(zhǎng)ittelfuse產(chǎn)品營銷總監(jiān)Jose Padilla、資深研發(fā)長(zhǎng)Vladimir Tsukanov和產(chǎn)品營銷工程師Aalok Bhatt）