并联工作的MOS管:优化功率传输与提升电路效率的关键设计策略
衡丽科技 2023-11-28

理论上,MOSFET进入稳态导通状态
以下情况才成立:


1.MOSFET导通电阻具有正的温度系数,可并联。

2.一个并联MOSFET温度上升正温度系数导通电阻也增加流过电流减小,温度降低,从而实现自动的均流达到平衡。

3.一个功率MOSFET器件,其内部也是有许多小晶胞并联而成,晶胞导通电阻具有正温度系数,因并联工作没问题。

原因:开关转化瞬态过程中,以上即不成立。

功率MOSFET传输特征

MOSFET三区:关断区+饱和区+线性区。

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。

MOSFET工作在饱和区时,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。


μn反型层中电子的迁移率

COX氧化物介电常数与氧化物厚度比值

W沟道宽度

L沟道长度

温度对功率MOSFET传输特征影响

MOSFET数据表中,典型传输特性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VGS转折电压

VGS左下部分曲线

VGS电压一定时,温度越高,流过的电流越大,温度和电流形成正反馈,即MOSFETRDSON)为负温度系数,可将这个区域称为RDSON)的负温度系数区域。

如下图所示

VGS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MOSFETRDSON)为正温度系数,可以将这个区域称为RDSON)正温度系数区域。

功率MOSFET内部晶胞的等效模型

在功率MOSFET内部,由许多单元晶胞并联组成单位面积上,并联晶胞越多,导通电阻RDS(ON)就越小。
晶元面积越大晶胞越多,通电阻RDS(
ON)越小。


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,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致。

功率MOSFET开关瞬态过程中晶胞的热不平衡

如下图所示

开通过程中,漏极电流ID在逐渐增大

离栅极管脚晶胞单元的电压:离其 > 离其远

VG1VG2VG3 > …,VGS电压高单元,即离其近的流过电流小,远则电流小。

距离最远地方晶胞可能没导通,因而没有电流流过。

电流大的晶胞单元,温度升高。

功率MOSFET内部等效模型

开通过程中VGS的电压逐渐增大到驱动电压,VGS电压穿越RDSON)负温度系数区域

温度越高晶胞单元,正反馈,流过电流会增大,晶胞单元温度上升。

VGSRDSON)负温度系数区域工作或停留的时间越,晶胞单元就越有过热击穿的可能,造成局部的损坏。


如果VGSRDSON)负温度系数区域到达RDSON)的正温度系数区域没有形成局部的损坏,此时,在RDSON)的正温度系数区域,晶胞单元的温度越高,所流过的电流减小,晶胞单元温度和电流形成负反馈,晶胞单元自动均流,达到平衡。

在MOSFET关断过程中,离栅极管脚距离远的晶胞单元的电压降低得慢,容易在RDSON)的负温度系数区域形成局部的过热而损坏。

加快MOSFET开通和关断速度,使MOSFET快速通过RDSON)负温度系数区域,就可减小局部能量的聚集,防止晶胞单元局部过热而损坏。



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