記得作者2002年做研發(fā)的時(shí)候，在熱插撥的應用中就開(kāi)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的數據表中根據相關(guān)的圖表找到導通電阻RDS(ON)的這個(gè)違背常理的特性，然后分享給一些客戶(hù)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(tīng)過(guò)AOS技術(shù)分享或看過(guò)相關(guān)資料的工程師應該理解了這個(gè)特性，但是許多沒(méi)有關(guān)注過(guò)這方面資料的工程師聽(tīng)到這個(gè)觀(guān)點(diǎn)后，估計會(huì )感到非常的驚訝和突然，因為通常的觀(guān)點(diǎn)都認為，MOSFET的導通電阻具有正的溫度系數，因此可以并聯(lián)工作。
當多個(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，導通電阻也增加，因此流過(guò)的電流減小，溫度降低，從而實(shí)現自動(dòng)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(gè)特性。同樣對于一個(gè)功率MOSFET器件的內部也是有許多小晶胞并聯(lián)而成，晶胞的導通電阻具有正的溫度系數，因此并聯(lián)工作沒(méi)有問(wèn)題。
但是，當深入理解功率MOSFET的轉移特性和溫度對其轉移特性的影響，就會(huì )發(fā)現，功率MOSFET的正溫度系數只有在MOSFET進(jìn)入穩態(tài)完全導通后的狀態(tài)下才能成立，在開(kāi)關(guān)瞬態(tài)的過(guò)程中，上述理論并不成立，因此在實(shí)際的應用中會(huì )產(chǎn)生一些問(wèn)題，本文將詳細地論述這些問(wèn)題，以糾正傳統認識的局限性和片面性。
1、功率MOSFET導通電阻RDS(ON)定義及溫度系數
在功率MOSFET數據表中，定義了功率MOSFET的導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。
導通電阻的溫度系數用歸一化的圖表列出：
圖1：MOSFET導通電阻溫度系數 看另外的一個(gè)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(gè)隱含的條件，許多公司沒(méi)有列出來(lái)，那就是在測量脈沖電流的時(shí)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溫的額定連續漏極電流ID，有些公司使用基于封裝限制的連續漏極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(méi)有升起來(lái)，那么在不同測量電流下導通電阻RDS(ON)的測量值差別不大，如果電流脈沖的時(shí)候比較長(cháng)，那么硅片的溫度有足夠短時(shí)間升起來(lái)，此時(shí)測量的導通電阻RDS(ON)差別較大。測量的時(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、溫度對功率MOSFET轉移特征影響 在MOSFET的數據表中通�？梢哉业剿牡湫偷霓D移特性。注意到25℃和175℃兩條曲線(xiàn)有一個(gè)交點(diǎn)C，此交點(diǎn)對應著(zhù)相應的VGS電壓和ID電流值。若稱(chēng)這個(gè)交點(diǎn)C的VGS為轉折電壓，即0溫度系數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(xiàn)，如圖2的B點(diǎn)區，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的導通電阻RDS(ON)為負溫度系數，可以將這個(gè)區域稱(chēng)為導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域。
圖2：MOSFET轉移特性
而在VGS-ZTC電壓的右上部分曲線(xiàn)，如圖2的A點(diǎn)區，VGS電壓一定時(shí)，溫度越高，所流過(guò)的電流越小，IDA25>IDA175，溫度和電流形成負反饋，即MOSFET的導通電阻RDS(ON)的為正溫度系數，可以將這個(gè)區域稱(chēng)為導通電阻RDS(ON)的正溫度系數區域，也就是我們通常所說(shuō)的完全導通狀態(tài)、穩態(tài)時(shí)，導通電阻的正溫度系數區域。
記時(shí)當時(shí)作者發(fā)表這篇文章的時(shí)候，有些讀者認為，VGS電壓較低時(shí)，雖然MOSFET開(kāi)通了，但并不是完全導通狀態(tài)，因此不能稱(chēng)為嚴格意義的導通電阻RDS(ON)，而是應該稱(chēng)為RDS。事實(shí)上，嚴格意義的完全導通狀態(tài)并不明確，VGS=10V、8V、6V？既然對于MOSFET的導通電阻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(chēng)為導通電阻也沒(méi)有多大關(guān)系，何況只是一個(gè)標稱(chēng)。 3、功率MOSFET內部晶胞的等效模型
在功率MOSFET的內部由許多單元，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的導通電阻RDS(ON)也就越小。所有單元的G極和S極由內部金屬導體連接匯集在晶元的某一個(gè)位置，然后由導線(xiàn)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和晶胞的熱不平衡。
從圖3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的晶胞單元，流過(guò)的電流小，距離最遠地方的晶胞甚至可能還沒(méi)有導通，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3：功率MOSFET的內部等效模型
由于在開(kāi)通的過(guò)程中VGS的電壓逐漸增大到驅動(dòng)電壓，VGS的電壓穿越導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域，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在導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域工作或停留的時(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從導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域到達導通電阻RDS(ON)的正溫度系數區域時(shí)沒(méi)有形成局部的損壞，此時(shí)在導通電阻RDS(ON)的正溫度系數區域，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反饋，晶胞單元自動(dòng)均流，達到平衡。
相應的，在MOSFET關(guān)斷過(guò)程中，離柵極管腳距離遠的晶胞單元的電壓降低得慢，容易在導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域形成局部的過(guò)熱而損壞。
對于多管的并聯(lián)工作過(guò)程，和上述的原理相同，在導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域工作，并不能實(shí)現理解的并聯(lián)均流。
因此，加快MOSFET的開(kāi)通和關(guān)斷速度，使MOSFET快速通過(guò)導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域，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。
負載開(kāi)關(guān)及熱插拔較長(cháng)時(shí)間工作在導通電阻的負溫度系數區，分立MOSFET組成的LDO一直工作在負溫度系數區，以后會(huì )推送文章說(shuō)明這二種應用設計的要點(diǎn)。
4、結論
(1) MOSFET在開(kāi)通的過(guò)程中，導通電阻RDS(ON)從負溫度系數區域向正溫度系數區域轉化；在其關(guān)斷的過(guò)程中，導通電阻RDS(ON)從正溫度系數區域向負溫度系數區域過(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�？焖匍_(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。
文章來(lái)源：微信公眾號 融創(chuàng )芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買(mǎi)服務(wù)平臺，項目眾包平臺）
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發(fā)表于 2016-9-28 10:34:50
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