Selection of power MOSFET in drone battery power management
李全，刘松，张龙
（万国半导体元件(深圳)有限公司，上海 静安 200070）
摘要：本文讨论了无人机电池充放电办理体系的功率MOSFET在大电流关断进程中发生失效损坏的原因，别离从功率MOSFET在大电流线性区作业时内部电场散布、空穴电流散布的电流线散布阐明其线性区作业特色和热累积效应，提出了进步功率MOSFET线性区可靠性的办法。终究经过测验验证了办法的可行性和有用性。
关键词：线性区；空穴电流；部分热门；负温度系数区
0 导言
无人机锂离子电池的容量十分大，高达6000 mAh，以满意更长的飞机时刻的需求。电池包的内部一般和输出的负载之间要串联功率MOSFET，一起运用专用的IC操控MOSFET的开关，然后对充、放电进行办理。在实践运用中，正常的情况下功率MOSFET的作业没有问题，但是在一些极点情况下，比方无人机在飞翔进程中遇到磕碰时，电池就会流过十分大的电流，IC检测到输出过流后，要延时一段时刻才干做出维护动作，那么在延时的时刻内，因为MOSFET的作业电流十分大，MOSFET就会作业在线性区，这就要求MOSFET接受大电流冲击的一起还要接受高电压，MOSFET规划和选型就十分重要，否则会构成MOSFET的损坏，导致无人机从空中坠毁。
1 无人机电池包充放电办理的MOSFET作业特性
无人机电池包进行大电流输出测验，内部MOSFET的作业波形如图1所示，MOSFET在大电流测验的关断进程中作业在线性区。
功率MOSFET作业特性有三个作业区：截止区、线性区和彻底导通区。在彻底导通区和线性区作业时分，都能够流过大的电流。图2别离显现了在彻底导通区和线性区作业的电势、空穴和电流线散布图。理论上，功率MOSFET是单极型器材，关于N沟道的功率MOSFET，彻底导通的时分，只要电子电流，没有空穴电流。
功率MOSFET彻底导通时，VDS的压下降，耗尽层彻底消失；功率MOSFET在线性区作业时，VDS的电压比较高，耗尽层依然存在，此刻因为在EPI耗尽层发生电子-空穴对，空穴也会发生电流，参入电流的导通。
空穴电流发生后，就会经过MOSFET内部的BODY体区流向S极，这也导致有或许触发寄生三极管，对功率MOSFET发生损害。由图可见：线性区作业时发生显着的空穴电流，电流线也分散到P型BODY区。
功率MOSFET在线性区作业时，器材一起接受高的电压和高的电流时，会发生下面的问题：
（1）内部的电场大，注入更多的空穴。
（2）有用的沟道宽度比彻底导通时小。
（3）下降Vth和下降击穿电压。
（4）Vth低，电流更简单倾向于部分的会集，构成热门；负温度系数特性进一步恶化部分热门。
功率MOSFET作业在线性区时，器材接受高的电压，高的电压偏置的耗尽层，导致有用的体电荷减小；作业电压越高，内部的电场越高，电离加强发生更多电子空穴对，构成较大的空穴电流。特别是假如工艺不共同，部分区域到达临界电场，会发生十分强的电离和更大的空穴电流，添加寄生三极管导通的危险。
2 试验及测验
为了丈量功率MOSFET的线性区作业特性，规划了相应的电路，运用AOS最新一代SGL1技能的MOSFET：AONS32100，导通电阻0.55 W，电压为25 V，选用DFN5X6封装。电路和测验波形如图3所示。图3中示出的是10 V/10 ms的SOA的测验波形，电路能够针对详细的运用相应的丈量条件，然后愈加符合实践运用的要求。
3 失效原因剖析
如图4所示，当MOSFET 注册时，导通阻抗R DS 从负温度系数区（NTC作业区，导通电阻随温度升高而减小）穿越到正温度系数区（PTC作业区，导通电阻随温度升高而增大）。在负温度系数区，热的单元有更低的导通压降，周围的电流会集合到这个区域。 [1-5]
当电流进一步集合，热的区域会发生正反馈：单个单元导通电阻更小，就会流过更多的电流，更多的电流会让这个区域发热量更大，温度升高，温度升高导致这个单元的导通电阻更小，在线性区构成正反馈。
一旦内部单元构成正反馈，假如器材在线性区停留时刻满意长，就会构成部分热门，部分热门的电流进一步集合到少量温度更高的单元，这些单元的温度就会进一步升高。并且终究导致器材热击穿损坏。
4 改进办法
增大Source Ballasting（源极填充物）阻抗， 供给负反馈是一个可行有用的办法。例如当FET2电流Ids2增大，FET2 源极电阻电压Vs2=Rsb2*Ids2就会升高，当外部驱动电压Vg共一起，FET2的有用驱动电压Vgs2=Vg-Vs2 就会减小，Ids2=(Vgs2-Vth)×gFS就会减小，然后构成负反馈体系，有用约束部分电流集聚效应，进步器材线性区操作可靠性。沟槽MOSFET内部由多个晶胞并联组成，单个晶胞增大源极阻抗，并联之后添加的阻抗能够疏忽，不会额定添加器材的导通阻抗。
进步单元之间的距离，避免附近单元彼此加热而构成部分热门是别的的一种办法，由此带来的导通电阻的添加，能够经过其它的方法来加以改进，如结构的优化改动电场的形状和电流线的散布，然后下降导通电阻 [6] 。
优化后的功率MOSFET线性区的作业功能如图5所示，能够看到，AOS新一代选用TLM1技能的功率MOSFET，不光具有优异的线性区功能，并且具有更低的导通电阻R DS（ON） ，为当时无人机的电池包办理范畴的运用供给最佳解决方案。
5 定论
无人机电池包的办理运用中，功率MOSFET在大电流测验的关断进程中，作业于高压大电流冲击的线性区，需求运用具有优异线性区作业特性的功率MOSFET。一起体系要求MOSFET具有低导通阻抗，以满意大电流，低损耗，发热量低的要求。
参考文献
[1] 刘松.了解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性.今天电子,2009,11:25-26
[2] 刘松.根据漏极导通区特性了解MOSFET开关进程.今天电子,2008,11:74-75
[3] 刘松.了解功率MOSFET的电流.今天电子,2011,11:35-37
[4] 刘松.脉冲漏极电流IDM及短路维护.今天电子,2018,1:21-23
[5] 刘松,陈均,林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关规划影响.电子技能运用,2010,12(36):72-74
[6] 刘松.超结型高压功率MOSFET结构作业原理.今天电子,2013,11:30-31
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第69页，欢迎您写论文时引证，并注明出处
