MOSFET的熱穩定性

2019-11-03 10:00:09

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供稿：網友

Alan Ball，安森美半導體公司應用工程經理

　　MOSFET是一種正溫度系數器件，這是一個長期被人們公認的事實。這意味著當器件溫度增加時其電阻亦相應增加，同時高溫會導致低電流。

　　這在需要MOSFET并聯工作時很重要，因為通過器件間良好的熱通道，正溫度系數可減少較熱器件中的電流，并迫使電流更多地流向溫度較低的器件，從而避免出現熱失控。

　　在使用功率MOSFET時，我們傾向于將它看成是一個單獨的功率晶體管，但實際上卻有數千個微型功率FET單元并聯在一起工作；而在電流共享方面，正溫度系數MOSFET亦采用相同的并聯方式。在這種情況下，單元間的熱通道要大大優于單獨封裝器件的通道，因為所有單元全都位于同一塊芯片上。

　　隨著一部分單元電流密度的增加，它們開始變熱，而這反過來又使其電阻率增大并迫使電流流向鄰近的單元，這能使器件的熱梯度系數最小并避免產生熱點。這就是并聯單元陣列能可靠工作的基本物理原理。

　　如果MOSFET具有負溫度系數，則今天所采用的并聯單元結構將引起嚴重的可靠性問題。事實上，也存在一些溫度系數為負的工作模式，對于這種現象人們已經有討論[1]，而且只要看一下FET器件的跨導曲線即能很容易認識到這一點。

　　通過對一組典型跨導曲線的觀察，可以很清楚地看到這一效果。以下是在熱插拔應用中所采用的三種典型器件及其跨導曲線。

圖1，安森美半導體公司的 NTD12N10 圖2，國際整流器公司（International Rectifier的IRF530）

圖3，仙童公司（Fairchild）的HUF75631SK8 圖4，典型跨導曲線

　　以上三種器件都擁有一個共同的特點，即其跨導曲線上都存在一個拐點，在這一點上器件的溫度系數為零；在柵源電壓（Vgs）大于拐點電壓的點上溫度系數為正，而在小于拐點電壓的點上，溫度系數為負。

　　圖4為溫度系數從負變為正的示意圖。在Vgs大于拐點電壓（Vgs+）的點上，溫度系數為正。在此柵極電壓上，漏極吸取的電流超過9A，而當溫度上升到125°C時，這一電流值下降到小于7A，如圖左邊的箭頭所示，圖中顯示溫度增加使電流減小。

　　當柵源電壓小于拐點電壓（Vgs+）時，溫度系數為負。在-40°C時，漏極電流接近于零，但當溫度升高到125°C時，漏極電流超過1A。如圖左邊的箭頭所示，溫度增加使電流增大。

　　這意味著當FET的Vgs值處于拐點電壓以下時，就可能會發生熱失控。因為此時當一個或一組單元的溫度比周圍單元的溫度高時，它們傾向于傳導更多的電流，而這反過來會使其溫度變得更高--這又將使其傳導更多的電流。因此這些單元將傳導大部分的電流，如果在時間上不加以限制，則可能使器件損壞。

　　這類似于發生在雙極型晶體管內的次級擊穿，只是雙極結晶體管是一種單獨的器件，可以采取相應的措施來避免損壞。而功率MOSFET卻在一塊芯片上集成了數千個并聯器件，因此不可能對其逐個進行保護。

　　在很低的電流限制設置下使用大功率器件，就有可能產生熱失控。盡管在熱插拔這樣的應用上使用大功率MOSFET同時又將其限制在較低的電流上看起來似乎很理想，但這不是最好的解決方法。雖然使用極低Rdson的器件可使系統在穩態工作時功耗極低，但當有短路或過載發生時器件也更容易損壞。

　　已有一些克服這些問題的方法。一種是對MOSFET的芯片溫度進行直接檢測，這可通過采用單片集成方案來將MOSFET與控制器集成在一起而實現，而這正是ON Semiconductor公司在其熱插拔IC新產品線上所采用的方案。在此情況下，可對FET芯片上的溫度進行直接檢測。但芯片上的溫度檢測元件的位置對于能否有效保護器件非常關鍵，如果芯片上的熱點離檢測位置太遠，則器件就不可能保護它自己。

　　分立熱插拔控制器可采用多種保護方案，如果控制器可在一種恒流模式下工作，則只存在熱不穩定性這一個問題。有些保護電路在一些條件（指示危險工作區域）被滿足時，采取簡單地關斷MOSFET開關的方法。而運用恒流保護方法的控制器則可使用定時器或其他方法，再加上電流限制電路來減少器件發生故障的風險。

　　由于系統效率是一項重要參數，因此誘使人們使用可能的功率最大的MOSFET來提高系統效率。但重要的是要記住，如果設計者不注意可能存在的熱不穩定性，則在采用此方法時可能會以犧牲系統可靠性作為代價。如果處理適當，則大功率器件也能在低電流限制水平上可靠地使用。

　　[1] Thermal Instability of Low Voltage Power-MOSFET's. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 15, No. 3, May 2000, Alfio Consoli et al.

　　
摘自《END技術》

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