理解功率MOSFET的RDS(ON)負(fù)溫度系數(shù)特性

小融一號(hào)

記得作者2002年做研發(fā)的時(shí)候，在熱插撥的應(yīng)用中就開始關(guān)注到這個(gè)問(wèn)題，那時(shí)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(gè)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(lái)，聽過(guò)AOS技術(shù)分享或看過(guò)相關(guān)資料的工程師應(yīng)該理解了這個(gè)特性，但是許多沒有關(guān)注過(guò)這方面資料的工程師聽到這個(gè)觀點(diǎn)后，估計(jì)會(huì)感到非常的驚訝和突然，因?yàn)橥ǔ５挠^點(diǎn)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)多個(gè)并聯(lián)工作的功率MOSFET其中的一個(gè)溫度上升時(shí)，由于其具有正的溫度系數(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，這也是功率MOSFET相對(duì)于晶體管最具有優(yōu)勢(shì)的一個(gè)特性。同樣對(duì)于一個(gè)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(wèn)題。

但是，當(dāng)深入理解功率MOSFET的轉(zhuǎn)移特性和溫度對(duì)其轉(zhuǎn)移特性的影響，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，功率MOSFET的正溫度系數(shù)只有在MOSFET進(jìn)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(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。

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(cè)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(cè)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(gè)MOSFET的測(cè)量條件：

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

通常不同的公司使用不同的測(cè)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(gè)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(shí)候足夠短，也就是硅片的溫度沒有升起來(lái)，那么在不同測(cè)量電流下導(dǎo)通電阻RDS(ON)的測(cè)量值差別不大，如果電流脈沖的時(shí)候比較長(zhǎng)，那么硅片的溫度有足夠短時(shí)間升起來(lái)，此時(shí)測(cè)量的導(dǎo)通電阻RDS(ON)差別較大。測(cè)量的時(shí)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(shí)間更短。

2、溫度對(duì)功率MOSFET轉(zhuǎn)移特征影響

在MOSFET的數(shù)據(jù)表中通�？梢哉业剿�的典型的轉(zhuǎn)移特性。注意到25℃和175℃兩條曲線有一個(gè)交點(diǎn)C，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)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(diǎn)區(qū)，VGS電壓一定時(shí)，溫度越高，所流過(guò)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(fù)溫度系數(shù)，可以將這個(gè)區(qū)域稱為導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負(fù)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(diǎn)區(qū)，VGS電壓一定時(shí)，溫度越高，所流過(guò)的電流越小，IDA25>IDA175，溫度和電流形成負(fù)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(gè)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(shuō)的完全導(dǎo)通狀態(tài)、穩(wěn)態(tài)時(shí)，導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)區(qū)域。

記時(shí)當(dāng)時(shí)作者發(fā)表這篇文章的時(shí)候，有些讀者認(rèn)為，VGS電壓較低時(shí)，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(yán)格意義的導(dǎo)通電阻RDS(ON)，而是應(yīng)該稱為RDS。事實(shí)上，嚴(yán)格意義的完全導(dǎo)通狀態(tài)并不明確，VGS=10V、8V、6V？既然對(duì)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(shí)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(gè)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(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和晶胞的熱不平衡。

從圖3可以看出：在開通的過(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有導(dǎo)通，因而沒有電流流過(guò)。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(guò)程中VGS的電壓逐漸增大到驅(qū)動(dòng)電壓，VGS的電壓穿越導(dǎo)通電阻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在導(dǎo)通電阻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從導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域到達(dá)導(dǎo)通電阻RDS(ON)的正溫度系數(shù)區(qū)域時(shí)沒有形成局部的損壞，此時(shí)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(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，容易在導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域形成局部的過(guò)熱而損壞。

對(duì)于多管的并聯(lián)工作過(guò)程，和上述的原理相同，在導(dǎo)通電阻RDS(ON)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域工作，并不能實(shí)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(guò)導(dǎo)通電阻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。

負(fù)載開關(guān)及熱插拔較長(zhǎng)時(shí)間工作在導(dǎo)通電阻的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，分立MOSFET組成的LDO一直工作在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)，以后會(huì)推送文章說(shuō)明這二種應(yīng)用設(shè)計(jì)的要點(diǎn)。

4、結(jié)論

(1) MOSFET在開通的過(guò)程中，導(dǎo)通電阻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，導(dǎo)通電阻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，在開通和關(guān)斷的過(guò)程中形成局部過(guò)熱損壞�？焖匍_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。

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成俊

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小融一號(hào)

成俊 發(fā)表于 2016-10-7 13:15
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