無人機電池管理充放電MOSFET的選擇

作者：李全劉松張龍時間：2019-04-28 來源：電子產(chǎn)品世界

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　　Selection of power MOSFET in drone battery power management

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201904/400024.htm

　　李全，劉松，張龍

　?。ㄈf國半導體元件(深圳)有限公司，上海靜安 200070）

　　摘要：本文探討了無人機電池充放電管理系統(tǒng)的功率MOSFET在大電流關斷過程中發(fā)生失效損壞的原因，分別從功率MOSFET在大電流線性區(qū)工作時內(nèi)部電場分布、空穴電流分布的電流線分布說明其線性區(qū)工作特點和熱累積效應，提出了提高功率MOSFET線性區(qū)可靠性的方法。最后通過測試驗證了方法的可行性和有效性。

　　關鍵詞：線性區(qū)；空穴電流；局部熱點；負溫度系數(shù)區(qū)

　　0 引言

　　無人機鋰離子電池的容量非常大，高達6000 mAh，以滿足更長的飛機時間的需求。電池包的內(nèi)部通常和輸出的負載之間要串聯(lián)功率MOSFET，同時使用專用的IC控制MOSFET的開關，從而對充、放電進行管理。在實際應用中，正常的情況下功率MOSFET的工作沒有問題，但是在一些極端情況下，比如無人機在飛行過程中遇到碰撞時，電池就會流過非常大的電流，IC檢測到輸出過流后，要延時一段時間才能做出保護動作，那么在延時的時間內(nèi)，由于MOSFET的工作電流非常大，MOSFET就會工作在線性區(qū)，這就要求MOSFET承受大電流沖擊的同時還要承受高電壓，MOSFET設計和選型就非常重要，否則會造成MOSFET的損壞，導致無人機從空中墜毀。

　　1 無人機電池包充放電管理的MOSFET工作特性

　　無人機電池包進行大電流輸出測試，內(nèi)部MOSFET的工作波形如圖1所示，MOSFET在大電流測試的關斷過程中工作在線性區(qū)。

　　功率MOSFET工作特性有三個工作區(qū)：截止區(qū)、線性區(qū)和完全導通區(qū)。在完全導通區(qū)和線性區(qū)工作時候，都可以流過大的電流。圖2分別顯示了在完全導通區(qū)和線性區(qū)工作的電勢、空穴和電流線分布圖。理論上，功率MOSFET是單極型器件，對于N溝道的功率MOSFET，完全導通的時候，只有電子電流，沒有空穴電流。

　　功率MOSFET完全導通時，VDS的壓降低，耗盡層完全消失；功率MOSFET在線性區(qū)工作時，VDS的電壓比較高，耗盡層仍然存在，此時由于在EPI耗盡層產(chǎn)生電子-空穴對，空穴也會產(chǎn)生電流，參入電流的導通。

　　空穴電流產(chǎn)生后，就會通過MOSFET內(nèi)部的BODY體區(qū)流向S極，這也導致有可能觸發(fā)寄生三極管，對功率MOSFET產(chǎn)生危害。由圖可見：線性區(qū)工作時產(chǎn)生明顯的空穴電流，電流線也擴散到P型BODY區(qū)。

　　功率MOSFET在線性區(qū)工作時，器件同時承受高的電壓和高的電流時，會產(chǎn)生下面的問題：

　?。?）內(nèi)部的電場大，注入更多的空穴。

　?。?）有效的溝道寬度比完全導通時小。

　　（3）降低Vth和降低擊穿電壓。

　?。?）Vth低，電流更容易傾向于局部的集中，形成熱點；負溫度系數(shù)特性進一步惡化局部熱點。

　　功率MOSFET工作在線性區(qū)時，器件承受高的電壓，高的電壓偏置的耗盡層，導致有效的體電荷減小；工作電壓越高，內(nèi)部的電場越高，電離加強產(chǎn)生更多電子空穴對，形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致，局部區(qū)域達到臨界電場，會產(chǎn)生非常強的電離和更大的空穴電流，增加寄生三極管導通的風險。

　　2 實驗及測試

　　為了測量功率MOSFET的線性區(qū)工作特性，設計了相應的電路，使用AOS最新一代SGL1技術的MOSFET：AONS32100，導通電阻0.55 W，電壓為25 V，采用DFN5X6封裝。電路和測試波形如圖3所示。圖3中示出的是10 V/10 ms的SOA的測試波形，電路可以針對具體的使用相應的測量條件，從而更加符合實際應用的要求。

　　3 失效原因分析

　　如圖4所示，當MOSFET 開通時，導通阻抗R DS 從負溫度系數(shù)區(qū)（NTC工作區(qū)，導通電阻隨溫度升高而減?。┐┰降秸郎囟认禂?shù)區(qū)（PTC工作區(qū)，導通電阻隨溫度升高而增大）。在負溫度系數(shù)區(qū)，熱的單元有更低的導通壓降，周圍的電流會聚集到這個區(qū)域。^[1-5]

　　當電流進一步聚集，熱的區(qū)域會產(chǎn)生正反饋：單個單元導通電阻更小，就會流過更多的電流，更多的電流會讓這個區(qū)域發(fā)熱量更大，溫度升高，溫度升高導致這個單元的導通電阻更小，在線性區(qū)形成正反饋。

　　一旦內(nèi)部單元形成正反饋，如果器件在線性區(qū)停留時間足夠長，就會形成局部熱點，局部熱點的電流進一步聚集到少數(shù)溫度更高的單元，這些單元的溫度就會進一步升高。并且最終導致器件熱擊穿損壞。

　　4 改進方法

　　增大Source Ballasting（源極填充物）阻抗，提供負反饋是一個可行有效的辦法。例如當FET2電流Ids2增大，F(xiàn)ET2 源極電阻電壓Vs2=Rsb2*Ids2就會升高，當外部驅動電壓Vg一致時，F(xiàn)ET2的有效驅動電壓Vgs2=Vg-Vs2 就會減小，Ids2=(Vgs2-Vth)×gFS就會減小，從而形成負反饋系統(tǒng)，有效限制局部電流集聚效應，提高器件線性區(qū)操作可靠性。溝槽MOSFET內(nèi)部由多個晶胞并聯(lián)組成，單個晶胞增大源極阻抗，并聯(lián)之后增加的阻抗可以忽略，不會額外增加器件的導通阻抗。

　　提高單元之間的間隔，防止鄰近單元相互加熱而形成局部熱點是另外的一種方法，由此帶來的導通電阻的增加，可以通過其它的方式來加以改善，如結構的優(yōu)化改變電場的形態(tài)和電流線的分布，從而降低導通電阻^[6] 。

　　優(yōu)化后的功率MOSFET線性區(qū)的工作性能如圖5所示，可以看到，AOS新一代采用TLM1技術的功率MOSFET，不但具有優(yōu)異的線性區(qū)性能，而且具有更低的導通電阻R DS（ON），為當前無人機的電池包管理領域的應用提供最佳解決方案。