文档介绍：理解功率MOSFET的RDS(ON)温度系数特性
中心议题:
功率MOSFET传输特征
功率MOSFET内部晶胞的等效模型
解决方案:
温度对功率MOSFET传输特征影响
功率MOSFET开关瞬态过程中晶胞的热不平衡
通常,许多资料和教材都认为,MOSFET的导通电阻具有正的温度系数,因此可以并联工作。当其中一个并联的MOSFET的温度上升时,具有正的温度系数导通电阻也增加,因此流过的电流减小,温度降低,从而实现自动的均流达到平衡。同样对于一个功率MOSFET器件,在其内部也是有许多小晶胞并联而成,晶胞的导通电阻具有正的温度系数,因此并联工作没有问题。但是,当深入理解功率MOSFET的传输特性和温度对其传输特性的影响,以及各个晶胞单元等效电路模型,就会发现,上述的理论只有在MOSFET进入稳态导通的状态下才能成立,而在开关转化的瞬态过程中,上述理论并不成立,因此在实际的应用中会产生一些问题,本文将详细地论述这些问题,以纠正传统认识的局限性和片面性。
功率MOSFET传输特征
三极管有三个工作区:截止区、放大区和饱和区,而MOSFET对应的是关断区、饱和区和线性区。MOSFET的饱和区对应着三极管的放大区,而MOSFET的线性区对应着三极管的饱和区。MOSFET线性区也叫三极区或可变电阻区,在这个区域,MOSFET基本上完全导通。
当MOSFET工作在饱和区时,MOSFET具有信号放大功能,栅极的电压和漏极的电流基于其跨导保持一定的约束关系。栅极的电压和漏极的电流的关系就是MOSFET的传输特性。
其中,μn为反型层中电子的迁移率,COX为氧化物介电常数与氧化物厚度比值,W和L分别为沟道宽度和长度。
温度对功率MOSFET传输特征影响
在MOSFET的数据表中,通常可以找到它的典型的传输特性。注意到25℃和175℃两条曲线有一个交点,此交点对应着相应的VGS电压和ID电流值。若称这个交点的VGS为转折电压,可以看到:在VGS转折电压的左下部分曲线,VGS电压一定时,温度越高,所流过的电流越大,温度和电流形成正反馈,即MOSFET的RDS(ON)为负温度系数,可以将这个区域称为RDS(ON)的负温度系数区域。
图1 MOSFET转移特性
而在VGS转折电压的右上部分曲线,VGS电压一定时,温度越高,所流过的电流越小,温度和电流形成负反馈,即MOSFET的RDS(ON)为正温度系数,可以将这个区域称为RDS(ON)正温度系数区域。
功率MOSFET内部晶胞的等效模型
在功率MOSFET的内部,由许多单元,即小的MOSFET晶胞并联组成,在单位的面积上,并联的MOSFET晶胞越多,MOSFET 的导通电阻RDS(ON)就越小。同样的,晶元的面积越大,那么生产的MOSFET晶胞也就越多,MOSFET的导通电阻RDS(ON)也就越小。所有单元的G
极和S极由内部金属导体连接汇集在晶元的某一个位置,然后由导线引出到管脚,这样G极在晶元汇集处为参考点,其到各个晶胞单元的电阻并不完全一致, 离汇集点越远的单元,G极的等效串联电阻就越大。
正是由于串联等效的栅极和源极电阻的分压作用,造成晶胞单元的VGS的电压不一致,从而导致各个晶胞单元电流不一致。在MOSFET开通的过程中,由于栅极电容的影响,会加剧各个晶胞单元电流不一