無人機(jī)電池管理充放電MOSFET的選擇
1、前言
無人機(jī)鋰離子電池的容量非常大,高達(dá)6000mAh,以滿足更長的飛機(jī)時(shí)間的需求。電池包的內(nèi)部通常和輸出的負(fù)載之間要串聯(lián)功率MOSFET,同時(shí)使用專用的IC控制MOSFET的開關(guān),從而對(duì)充、放電進(jìn)行管理。在實(shí)際應(yīng)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(jī)在飛行過程中遇到碰撞時(shí),電池就會(huì)流過非常大的電流,IC檢測到輸出過流后,要延時(shí)一段時(shí)間才能做出保護(hù)動(dòng)作,那么在延時(shí)的時(shí)間內(nèi),由于MOSFET的工作電流非常大,MOSFET就會(huì)工作在線性區(qū),這就要求MOSFET承受大電流沖擊的同時(shí),還要承受高電壓,MOSFET設(shè)計(jì)和選型就非常重要,否則會(huì)造成MOSFET的損壞,導(dǎo)致無人機(jī)從空中墜毀。
2、無人機(jī)電池包充用于放電管理的MOSFET工作特性
無人機(jī)電池包輸出進(jìn)行大電流測試,內(nèi)部MOSFET的工作波形如圖1所示,MOSFET在大電流測試的關(guān)斷過程中工作在線性區(qū)。
圖1:短路測試波形
功率MOSFET工作特性有三個(gè)工作區(qū):截止區(qū)、線性區(qū)和完全導(dǎo)通區(qū)。在完全導(dǎo)通區(qū)和線性區(qū)工作時(shí)候,都可以流過大的電流。理論上,功率MOSFET是單極型器件,對(duì)于N溝道的功率MOSFET,完全導(dǎo)通的時(shí)候,只有電子電流,沒有空穴電流。
功率MOSFET完全導(dǎo)通時(shí),VDS的壓降低,耗盡層完全消失;功率MOSFET在線性區(qū)工作時(shí),VDS的電壓比較高,耗盡層仍然存在,此時(shí)由于外延層EPI的耗盡層產(chǎn)生電子-空穴對(duì),空穴也會(huì)產(chǎn)生電流,參入電流的導(dǎo)通。
線性區(qū)工作時(shí)產(chǎn)生明顯的空穴電流,空穴電流產(chǎn)生后,就會(huì)通過MOSFET內(nèi)部的BODY體區(qū)流向S極,這也導(dǎo)致有可能觸發(fā)寄生三極管,對(duì)功率MOSFET產(chǎn)生危害。
功率MOSFET在線性區(qū)工作時(shí),器件同時(shí)承受高的電壓和高的電流時(shí),會(huì)產(chǎn)生下面的問題:
(1)內(nèi)部的電場大,注入更多的空穴。
(2)有效的溝道寬度比完全導(dǎo)通時(shí)小。
(3)降低Vth和降低擊穿電壓。
(4)Vth低,電流更容易傾向于局部的集中,形成熱點(diǎn);負(fù)溫度系數(shù)特性進(jìn)一步惡化局部熱點(diǎn)。
功率MOSFET工作在線性區(qū)時(shí),器件承受高的電壓,高的電壓偏置的耗盡層,導(dǎo)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(qiáng)產(chǎn)生更多電子-空穴對(duì),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(dá)到臨界電場,會(huì)產(chǎn)生非常強(qiáng)的電離和更大的空穴電流,增加寄生三極管導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。
3、實(shí)驗(yàn)及測試
為了測量功率MOSFET的線性區(qū)工作特性,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的電路,使用AOS最新一代技術(shù)的MOSFET:AONS32100,導(dǎo)通電阻0.55mOhm,電壓為25V,采用DFN5X6封裝。電路和測試波形如圖3所示。圖3中示出的是10V/10mS的SOA的測試波形,電路可以針對(duì)具體的使用相應(yīng)的測量條件,從而更加符合實(shí)際應(yīng)用的要求。
圖2:線性區(qū)測量電路
圖3:線性區(qū)測試波形
4、失效原因分析
如圖4所示,當(dāng)MOSFET 開通時(shí),導(dǎo)通阻抗RDS從負(fù)溫度系數(shù)區(qū)(NTC工作區(qū),導(dǎo)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(dǎo)通電阻隨溫度升高而增大)。在負(fù)溫度系數(shù)區(qū),熱的單元有更低的導(dǎo)通壓降,周圍的電流會(huì)聚集到這個(gè)區(qū)域。[1-5]
(a) 負(fù)溫度系數(shù)區(qū)
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(b) 線性區(qū)失效過程
圖4:功率MOSFET負(fù)溫度系數(shù)區(qū)及線性區(qū)失效
當(dāng)電流進(jìn)一步聚集,熱的區(qū)域會(huì)產(chǎn)生正反饋:單個(gè)單元導(dǎo)通電阻更小,就會(huì)流過更多的電流,更多的電流會(huì)讓這個(gè)區(qū)域發(fā)熱量更大,溫度升高,溫度升高導(dǎo)致這個(gè)單元的導(dǎo)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(shí)間足夠長,就會(huì)形成局部熱點(diǎn),局部熱點(diǎn)的電流進(jìn)一步聚集到少數(shù)溫度更高的單元,這些單元的溫度就會(huì)進(jìn)一步升高。并且最終導(dǎo)致器件熱擊穿損壞。
5、改進(jìn)方法
通過內(nèi)部的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,可以提高功率MOSFET的線性區(qū)特性,如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(diǎn)就是一種方法,由此帶來的導(dǎo)通電阻的增加,可以通過其它的方式來加以改善,如使用特定結(jié)構(gòu)、采用超結(jié)結(jié)構(gòu)的P柱、或深溝槽場板,改變電場的形態(tài)和電流線的分布,從而降低導(dǎo)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,采用AOS新一代新技術(shù)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(dǎo)通電阻RDS(ON),為當(dāng)前無人機(jī)的電池包管理領(lǐng)域的應(yīng)用提供最佳解決方案。
圖5:線性區(qū)性能和RDS(ON)對(duì)比
6、結(jié)論
無人機(jī)電池包的管理應(yīng)用中,功率MOSFET在大電流測試的關(guān)斷過程中,工作于高壓大電流沖擊的線性區(qū),需要使用具有優(yōu)異線性區(qū)工作特性的功率MOSFET。同時(shí)系統(tǒng)要求MOSFET具有低導(dǎo)通阻抗,以滿足大電流,低損耗,發(fā)熱量低的要求。
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參考文獻(xiàn)
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[6] 劉松.超結(jié)型高壓功率MOSFET結(jié)構(gòu)工作原理.今日電子,2013,11:30-32
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