认识线性功率MOSFET

本文针对MOSFET的运作模式，组件方案，以及其应用范例进行说明，剖析标准MOSFET的基本原理、应用优势，与方案选择的应用思考。

线性MOSFET是线性模式应用时最合适的选择，能够确保可靠的运作。然而，用于线性模式应用时，标准MOSFET容易产生电热不稳定性，从而可能导致组件损坏。A类音讯放大器、主动式DC-link放电、电池充放电、浪涌电流限制器、低电压直流马达控制或电子负载等线性模式应用，都要求功率 MOSFET组件在电流饱和区内运行。

了解线性模式运作
在功率 MOSFET 的线性工作模式下，高电压和高电流同时出现，因此通常MOSFET的功率消耗水平高于较常见的开关模式应用。

图一显示奥姆区、非线性区以及饱和或称主动区，这三个不同的区域代表功率MOSFET的输出特性。

*主动区：MOSFET沟道由于有多数电荷载流子而饱和ID独立于VDS。ID仅由VGS控制，并且对于任何给定VDS保持恒定。换言话说，MOSFET表现出恒定电流吸收器的行为。

*非线性区：MOSFET的电阻呈现非线性行为，ID随着VDS而增加的速度减慢。

*奥姆区：对于给定栅源电压VGS，漏极电流ID与漏源电压VDS成正比。MOSFET在这种工作模式下充当电阻器，数值等于其导通电阻RDS(ON)。


 
图一 : 功率MOSFET输出特性

标准MOSFET不适合线性模式运作
当功率生成速率高于功率耗散速率时，线性模式下较大的功率耗散PD会引起电热不稳定性（electro-thermal instability；ETI），可以理解为功率 MOSFET强制进入线性运作模式。通常，MOSFET 裸晶边缘（芯片焊接到功率封装之安装片的位置）的温度低于裸晶中心的温度，这是横向热流的结果。

实际上，功率 MOSFET的管芯结温Tvj并不均匀。虽然芯片温度变化在开关模式运作中大多是无害的，但在线性模式工作中，这些温度变化会引发灾难性故障。表面上的正回馈破坏机制带来的结果：

*结温 Tvj局部升高

*由于负温度系数，提高芯片温度会导致闸极阈值电压VGSTH局部降低

*降低阈值电压引起了局部电流密度JDS增加，使得DS~(VGS~VGSTH)2

*电流密度的增加导致局部功率耗散增加，从而引起结温进一步局部升高

MOSFET 等效电路包含寄生的NPN晶体管，其本身由n和p掺杂区序列形成，如图二所示。根据功率脉冲的持续时间、传热条件和 MOSFET 单元的设计，ETI 可能会导致所有漏极电流集中到电流灯丝中并形成热点，这通常会导致受影响区域中的 MOSFET单元失去闸极控制，并开启寄生晶体管，随后造成组件的损坏。



 
图二 : MOSFET 等效电路

线性 MOSFET方案的结构、制程与封装
Littelfuse开发一系列功率 MOSFET 结构和制程，称为线性 MOSFET L和L2系列，通过消除正回馈环路而提供扩展的正向偏置安全工作区（FBSOA），以应对 ETI 引起的问题。线性L和线性L2 MOSFET 系列的主要区别在于工作电压和信道电阻RDS(ON)。

这些组件的设计特点是晶体管单元非均匀分布，以及具有不同阈值电压的单元。为了使晶体管不会在极端电应力条件下开启，各个单元的寄生晶体管均采用高度旁路设计。每个晶体管单元的源极都设计有一个镇流电阻，以限制其电流。

采用这种方式设计的线性 MOSFET 通过抑制导致电热不稳定性（ETI）的正回馈，实现扩展FBSOA功能。

Littelfuse 的线性 MOSFET组件采用多种分立封装，提供宽泛的电压和电流范围，如图三所示。线性MOSFET没有特殊的闸极驱动要求。IXYS闸极驱动器系列 IXD_604适合这项用途，它采用标准 8 引脚 DIP、8 引脚 SOIC、带有裸露金属背面的8 引脚功率SOIC和 8 引脚 DFN (D2) 封装供货。



 
图三 : Littelfuse线性MOSFET产品组合

线性MOSFET更适合线性模式应用
正向偏置安全工作区（FBSOA）是定义最大允许工作点的规格表评量指针（FOM），在 FBSOA限制范围内运行对于MOSFET 的安全操作非常重要。典型FBSOA特性受到RDS(ON)限制线、电流限制线、功率限制线和电压限制线的约束，如图三所示。

比较标准 MOSFET 和线性 MOSFET 的规格表，可见线性 MOSFET 具有扩展的 FBSOA范围。对于任何给定脉冲宽度，最大功率处理点都朝向电压限制线移动，如图四。

鉴于线性模式工作的典型性质，要求组件具有高功耗，线性MOSFET比标准 MOSFET更适合线性模式应用。因为与标准 MOSFET 相比，在 25μs、100μs、1ms、10ms 脉冲宽度和连续工作（DC）模式下，线性 MOSFET能够处理的功率分别高出24%、31%、48%、73% 和 118%。



 
图四 : 规格表 FBSOA 比较：标准MOSFET IXTH30N60P与线性 MOSFET IXTH30N60L2的对比

应用实例：电子负载
电子负载是吸收电流的测试仪器，通常用于测试各种负载条件下的 DC-DC 转换器、燃料电池、电池、太阳能电池板或电源等电源设备。图四是电子负载的简化示意图。

DUT通过控制电压Vcontrol设定点加载所需的电流。线性MOSFET（S1、S2 ... 、Sn）用作调节通过负载的电流的可变电阻器。MOSFET 通常并联以适应更高的功率。Littelfuse除了提供线性 MOSFET 和闸极驱动器，还提供电子负载中常见的附加组件。如图五所示，快速熔断器（F1、F2、…、Fn）、单向和双向瞬态电压抑制器（TVS、TVS1、TVS2、…、TVSn）和用于半导体温度监测的 NTC组件（NTC1、NTC2、…、 NTCn）。


 
图五 : 基于线性MOSFET的电子负载的简化原理图

线性 MOSFET 优势
在线性模式应用中，MOSFET通常以10ms或更长的脉冲宽度在低频下工作。1500V 2A的线性MOSFET IXTH2N150L是一款TO-247封装组件，为电子负载应用的组件。我们在实验室中将这款组件与最接近竞争组件1500V 2.5A TO-247封装组件进行测试和比较。

我们使用的FBSOA 测量装置，包括一个产生用于测量的功率脉冲的设备、安装在铜散热器上的被测设备（DUT）和一个用于外壳温度TC测量的热电偶，如图六a 所示。

在两个DUT上，使用不同脉冲宽度来测量组件可以承受的最大功率，图六b显示两款组件在使用各种脉冲宽度下的最大功率承受能力方面的定量比较。

我们可以观察到，与竞争组件比较，Littelfuse组件能够处理的功率明显更高，特别是在长脉冲宽度大于或等如10ms和连续工作时，这种稳健的性能可为线性模式应用提高整体系统可靠性。




图六a : FBSOA测量的实验室设置


 
图六b : Littelfuse线性MOSFET与竞争组件对比

Littelfuse在线性模式应用的整个价值链中提供主要组件，例如线性MOSFET、闸极驱动器、高速保险丝、TVS二极管和温度感应解决方案。Littelfuse所有线性组件都经过 100%测试，以保证 FBSOA性能、零组件的长期供应，并且由于低结壳热阻RthJC而具有高功耗能力。

（本文作者为Littelfuse产品营销总监Jose Padilla、资深研发长Vladimir Tsukanov和产品营销工程师Aalok Bhatt）