MOSFET基礎(chǔ)：理解功率MOSFET的RDS(ON)溫度系數(shù)特性

通常，許多資料和教材都認(rèn)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)其中一個(gè)并聯(lián)的MOSFET的溫度上升時(shí)，具有正的溫度系數(shù)導(dǎo)通電阻也增加，因此流過(guò)的電流減小，溫度降低，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的均流達(dá)到平衡。同樣對(duì)于一個(gè)功率MOSFET器件，在其內(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(méi)有問(wèn)題。但是，當(dāng)深入理解功率MOSFET的傳輸特性和溫度對(duì)其傳輸特性的影響，以及各個(gè)晶胞單元等效電路模型，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，上述的理論只有在MOSFET進(jìn)入穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通的狀態(tài)下才能成立，而在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)化的瞬態(tài)過(guò)程中，上述理論并不成立，因此在實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生一些問(wèn)題，本文將詳細(xì)地論述這些問(wèn)題，以糾正傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的局限性和片面性。

功率MOSFET傳輸特征

三極管有三個(gè)工作區(qū)：截止區(qū)、放大區(qū)和飽和區(qū)，而MOSFET對(duì)應(yīng)的是關(guān)斷區(qū)、飽和區(qū)和線性區(qū)。MOSFET的飽和區(qū)對(duì)應(yīng)著三極管的放大區(qū)，而MOSFET的線性區(qū)對(duì)應(yīng)著三極管的飽和區(qū)。MOSFET線性區(qū)也叫三極區(qū)或可變電阻區(qū)，在這個(gè)區(qū)域，MOSFET基本上完全導(dǎo)通。

當(dāng)MOSFET工作在飽和區(qū)時(shí)，MOSFET具有信號(hào)放大功能，柵極的電壓和漏極的電流基于其跨導(dǎo)保持一定的約束關(guān)系。柵極的電壓和漏極的電流的關(guān)系就是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(shù)與氧化物厚度比值，W和L分別為溝道寬度和長(zhǎng)度。

溫度對(duì)功率MOSFET傳輸特征影響

在MOSFET的數(shù)據(jù)表中，通?？梢哉业剿牡湫偷膫鬏斕匦?。注意到25℃和175℃兩條曲線有一個(gè)交點(diǎn)，此交點(diǎn)對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的VGS電壓和ID電流值。若稱這個(gè)交點(diǎn)的VGS為轉(zhuǎn)折電壓，可以看到：在VGS轉(zhuǎn)折電壓的左下部分曲線，VGS電壓一定時(shí)，溫度越高，所流過(guò)的電流越大，溫度和電流形成正反饋，即MOSFET的RDS(ON)為負(fù)溫度系數(shù)，可以將這個(gè)區(qū)域稱為RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域。

圖1 MOSFET轉(zhuǎn)移特性

而在VGS轉(zhuǎn)折電壓的右上部分曲線，VGS電壓一定時(shí)，溫度越高，所流過(guò)的電流越小，溫度和電流形成負(fù)反饋，即MOSFET的RDS(ON)為正溫度系數(shù)，可以將這個(gè)區(qū)域稱為RDS(ON)正溫度系數(shù)區(qū)域。

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(gè)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(diǎn)，其到各個(gè)晶胞單元的電阻并不完全一致，離匯集點(diǎn)越遠(yuǎn)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(gè)晶胞單元電流不一致。在MOSFET開(kāi)通的過(guò)程中，由于柵極電容的影響，會(huì)加劇各個(gè)晶胞單元電流不一致。

功率MOSFET開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中晶胞的熱不平衡

從圖2可以看出：在開(kāi)通的過(guò)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(yuǎn)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(guò)的電流大，而離柵極管腳距離較遠(yuǎn)的晶胞單元，流過(guò)的電流小，距離最遠(yuǎn)地方的晶胞甚至可能還沒(méi)有導(dǎo)通，因而沒(méi)有電流流過(guò)。電流大的晶胞單元，它們的溫度升高。

圖2 功率MOSFET的內(nèi)部等效模型

由于在開(kāi)通的過(guò)程中VGS的電壓逐漸增大到驅(qū)動(dòng)電壓，VGS的電壓穿越RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域，此時(shí)，那些溫度越高的晶胞單元，由于正反饋的作用，所流過(guò)的電流進(jìn)一步加大，晶胞單元溫度又進(jìn)一步上升。如果VGS在RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域工作或停留的時(shí)間越大，那么這些晶胞單元就越有過(guò)熱擊穿的可能，造成局部的損壞。

如果VGS從RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域到達(dá)RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域時(shí)沒(méi)有形成局部的損壞，此時(shí)，在RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域，晶胞單元的溫度越高，所流過(guò)的電流減小，晶胞單元溫度和電流形成負(fù)反饋，晶胞單元自動(dòng)均流，達(dá)到平衡。

相應(yīng)的，在MOSFET關(guān)斷過(guò)程中，離柵極管腳距離遠(yuǎn)的晶胞單元的電壓降低得慢，容易在RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域形成局部的過(guò)熱而損壞。

因此，加快MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷速度，使MOSFET快速通過(guò)RDS(ON)的負(fù)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(guò)熱而損壞。

基于上面的分析，可以得到：當(dāng)MOSFET局部損壞時(shí)，若損壞的熱點(diǎn)位于離柵極管腳距離近的區(qū)域，則可能是開(kāi)通速度太慢產(chǎn)生的局部的損壞；若損壞的熱點(diǎn)位于離柵極管腳距離遠(yuǎn)的區(qū)域，則可能是關(guān)斷速度太慢產(chǎn)生的局部損壞。

在柵極和源極加一個(gè)大的電容，在開(kāi)機(jī)的過(guò)程中，就會(huì)經(jīng)常發(fā)生MOSFET損壞的情況，正是由于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(dǎo)致局部的損壞。

結(jié)論

1．MOSFET在開(kāi)通的過(guò)程中，RDS(ON)從負(fù)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(guò)程中，RDS(ON)從正溫度系數(shù)區(qū)域向負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域過(guò)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(gè)晶胞單元電流不一致，在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中形成局部過(guò)熱損壞。

3．快速開(kāi)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(guò)熱而損壞。開(kāi)通速度太慢，距離柵極管腳較近的區(qū)域局部容易產(chǎn)生局部過(guò)熱損壞，關(guān)斷速度太慢，距離柵極管腳較遠(yuǎn)的區(qū)域容易產(chǎn)生局部過(guò)熱損壞。