线性MOSFET是线性模式应用的最合适选择,能够确保可靠运作。然而,用于线性模式应用时,标准MOSFET容易产生电热不稳定性(electro-thermal instability, ETI),可能导致器件损坏。
A类音频放大器、有源DC-link放电、电池充放电、浪涌电流限制器、低压DC电机控制或电子负载等线性模式应用要求功率 MOSFET 器件在电流饱和区域内工作。
线性模式运作
在功率 MOSFET 的线性工作模式,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 1显示欧姆区域、非线性区域以及饱和(或有源)区域,这三个不同的区域代表了功率MOSFET的输出特性。
有源区域:MOSFET 沟道由于多数电荷载流子而饱和。在该区域中,ID独立于VDS。ID仅由VGS控制,并且对于任何给定VDS保持恒定。换言之,MOSFET表现出恒定current sink的特征。
非线性区域:MOSFET的电阻呈现非线性行为,ID随着VDS而增加的速度减慢。
欧姆区域:对于给定栅源电压VGS,漏极电流ID与漏源电压VDS成正比。MOSFET在此运作模式下充当电阻器,数值等于其导通电阻RDS(ON)。
图1: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 晶圆边缘(芯片焊接到功率封装之安装片的位置)的温度低于管芯中心的温度,这是横向热流的结果。在实践中,功率 MOSFET的晶圆结温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,但在线性模式运作中,这些温度变化会引发灾难性故障。
表面上的正反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栅极阈值电压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
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NPN晶体管,其本身由 n 和 p 掺杂区域序列形成,如图 2 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 可能会引起漏电流集中产生线电流并形成热点,电流通过Rw,产生压降,这通常会导致受影响区域中的 MOSFET 单元失去栅极控制并开启寄生晶体管,随后损坏器件。
图 2:MOSFET 等效电路
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