線性功率MOSFETS的輸出特性和應(yīng)用設(shè)計(jì)

電子負(fù)載，線性穩(wěn)壓器或A類放大器等應(yīng)用程序在功率MOSFET的線性區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，這需要高功耗能力和擴(kuò)展的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA）特性。這種工作模式與通常使用功率MOSFET的方式不同，后者在開關(guān)模式應(yīng)用中的作用類似于“開-關(guān)開關(guān)”。在線性模式下，由于同時(shí)發(fā)生高漏極電壓和電流，導(dǎo)致高功耗，功率MOSFET承受高熱應(yīng)力。當(dāng)熱電應(yīng)力超過某個(gè)臨界極限時(shí)，硅中會(huì)出現(xiàn)熱熱點(diǎn)，從而導(dǎo)致器件失效[1]。

圖1 N溝道功率MOSFET的輸出特性

圖1顯示了N溝道功率MOSFET的典型輸出特性，其中描述了不同的工作模式。在截止區(qū)域中，柵極源極電壓（VGS）小于柵極閾值電壓（VGS（th）），并且器件處于開路或關(guān)斷狀態(tài)。在歐姆區(qū)域，該器件用作電阻，其電阻RDS（on）幾乎恒定，且等于Vds / Ids。在線性工作模式下，該器件在“電流飽和”區(qū)域工作，該區(qū)域的漏極電流（Ids）是柵極-源極電壓（Vgs）的函數(shù)，并由下式定義：

其中，K是取決于溫度和器件幾何形狀的參數(shù)，而gfs是電流增益或跨導(dǎo)。當(dāng)漏極電壓（VDS）增大時(shí)，正漏極電勢與柵極電壓偏置相對，并降低了溝道中的表面電勢。溝道反轉(zhuǎn)層電荷隨Vds的增加而減少，最終，當(dāng)漏極電壓等于（Vgs – Vgs（th））時(shí)，電荷變?yōu)榱恪Ｔ擖c(diǎn)稱為“溝道收縮點(diǎn)”，在該點(diǎn)上，漏極電流變?yōu)轱柡蚚2]。

FBSOA是數(shù)據(jù)表的品質(zhì)因數(shù)，它定義了允許的最大工作點(diǎn)。圖2顯示了N溝道功率MOSFET的典型FBSOA特性。對于不同的脈沖持續(xù)時(shí)間，它受最大漏極至源極電壓VDSS，最大傳導(dǎo)電流IDM和恒定功率耗散線的限制。在該圖中，這組曲線顯示了一條DC線和4條單脈沖操作線，分別為10ms，1ms，100 us和25 us。每條線的頂部被截?cái)嘁韵拗谱畲舐O電流，并由器件的Rds（on）定義的正斜率線界定。每條線的右側(cè)終止于額定漏源電壓極限（Vdss）。每條線都有一個(gè)負(fù)斜率，并由器件Pd的最大允許功耗決定：

其中ZthJC是結(jié)到外殼的瞬態(tài)端子阻抗，TJ（max）是MOSFET的最大允許結(jié)溫。

圖2 N溝道功率MOSFET的典型FBSOA圖

這些理論上恒定的功率曲線是從假設(shè)功率MOSFET管芯上的結(jié)溫基本均勻的計(jì)算中得出的。這種假設(shè)并不總是正確的，特別是對于大型裸片MOSFET。首先，焊接到功率封裝安裝片上的MOSFET管芯的邊緣的溫度通常比管芯的中心溫度低，這是橫向熱流的結(jié)果。其次，材料缺陷（管芯附著空隙，導(dǎo)熱油脂腔等）可能會(huì)導(dǎo)致局部導(dǎo)熱系數(shù)降低，即局部溫度升高。第三，摻雜劑濃度，柵極氧化物厚度和固定電荷的波動(dòng)將引起MOSFET單元的局部閾值電壓和電流增益（gfs）的波動(dòng)，這也將影響芯片的局部溫度。在開關(guān)模式下工作時(shí)，模具溫度變化幾乎無害。但是，它們可能會(huì)在線性模式操作中觸發(fā)災(zāi)難性故障，其脈沖持續(xù)時(shí)間要長于從結(jié)點(diǎn)到散熱器的熱傳遞所需的時(shí)間。發(fā)現(xiàn)針對開關(guān)模式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化的現(xiàn)代功率MOSFET在FBSOA圖的右下角（圖2的電熱不穩(wěn)定性邊界右側(cè)的區(qū)域）中運(yùn)行的能力有限。

電熱不穩(wěn)定性（ETI）可以理解為功率MOSFET表面上強(qiáng)制進(jìn)入線性工作模式的正反饋機(jī)制的結(jié)果：

結(jié)溫局部升高

這會(huì)導(dǎo)致局部降低Vgs（th）（MOSFET閾值電壓的溫度系數(shù)為負(fù)）

這會(huì)導(dǎo)致局部電流密度Jds`（Vgs – Vgs（th））2增大

局部電流密度的增加導(dǎo)致局部功耗的增加以及局部溫度的進(jìn)一步升高。

根據(jù)功率脈沖的持續(xù)時(shí)間，傳熱條件和MOSFET單元設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，ETI可能導(dǎo)致所有MOSFET電流集中到電流燈絲中并形成“熱點(diǎn)”。這通常會(huì)使指定區(qū)域中的MOSFET單元失去柵極控制，并開啟寄生BJT，從而損壞器件。

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