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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:電子產品世界收藏

  Selection of power MOSFET in drone battery power management

本文引用地址:http://www.xinfa15808.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的功率MOSFET在大電流關斷過程中發生失效損壞的原因,分別從功率MOSFET在大電流工作時內部電場分布、分布的電流線分布說明其工作特點和熱累積效應,提出了提高功率MOSFET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;;;

  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。電池包的內部通常和輸出的負載之間要串聯功率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,由于MOSFET的工作電流非常大,MOSFET就會工作在線性區,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。

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  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。

  功率MOSFET工作特性有三個工作區:截止區、線性區和完全導通區。在完全導通區和線性區工作時候,都可以流過大的電流。圖2分別顯示了在完全導通區和線性區工作的電勢、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。

  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耗盡層產生電子-空穴對,空穴也會產生電流,參入電流的導通。

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

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

 ?。?)內部的電場大,注入更多的空穴。

 ?。?)有效的溝道寬度比完全導通時小。

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 ?。?)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;負溫度系數特性進一步惡化。

  功率MOSFET工作在線性區時,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??;工作電壓越高,內部的電場越高,電離加強產生更多電子空穴對,形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致,局部區域達到臨界電場,會產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(NTC工作區,導通電阻隨溫度升高而減?。┐┰降秸郎囟认禂祬^(PTC工作區,導通電阻隨溫度升高而增大)。在,熱的單元有更低的導通壓降,周圍的電流會聚集到這個區域。 [1-5]

  當電流進一步聚集,熱的區域會產生正反饋: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域發熱量更大,溫度升高,溫度升高導致這個單元的導通電阻更小,在線性區形成正反饋。

  一旦內部單元形成正反饋,如果器件在線性區停留時間足夠長,就會形成,局部熱點的電流進一步聚集到少數溫度更高的單元,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。

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  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,FET2 源極電阻電壓Vs2=Rsb2*Ids2就會升高,當外部驅動電壓Vg一致時,FET2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,有效限制局部電流集聚效應,提高器件線性區操作可靠性。溝槽MOSFET內部由多個晶胞并聯組成,單個晶胞增大源極阻抗,并聯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,如結構的優化改變電場的形態和電流線的分布,從而降低導通電阻 [6] 。

  優化后的功率MOSFET線性區的工作性能如圖5所示,可以看到,AOS新一代采用TLM1技術的功率MOSFET,不但具有優異的線性區性能,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。

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  5 結論

  無人機電池包的管理應用中,功率MOSFET在大電流測試的關斷過程中,工作于高壓大電流沖擊的線性區,需要使用具有優異線性區工作特性的功率MOSFET。同時系統要求MOSFET具有低導通阻抗,以滿足大電流,低損耗,發熱量低的要求。

  參考文獻

  [1] 劉松.理解功率MOSFET的Rds(on)溫度系數特性.今日電子,2009,11:25-26

  [2] 劉松.基于漏極導通區特性理解MOSFET開關過程.今日電子,2008,11:74-75

  [3] 劉松.理解功率MOSFET的電流.今日電子,2011,11:35-37

  [4] 劉松.脈沖漏極電流IDM及短路保護.今日電子,2018,1:21-23

  [5] 劉松,陳均,林濤.功率MOS管Rds(on)負溫度系數對負載開關設計影響.電子技術應用,2010,12(36):72-74

  [6] 劉松.超結型高壓功率MOSFET結構工作原理.今日電子,2013,11:30-31

  本文來源于科技期刊《電子產品世界》2019年第5期第69頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處



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