無人機電池管理充放電MOSFET的選擇

1、前言

無人機鋰離子電池的容量非常大，高達6000mAh，以滿足更長的飛機時間的需求。電池包的內(nèi)部通常和輸出的負載之間要串聯(lián)功率MOSFET，同時使用專用的IC控制MOSFET的開關(guān)，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(nèi)，由于MOSFET的工作電流非常大，MOSFET就會工作在線性區(qū)，這就要求MOSFET承受大電流沖擊的同時，還要承受高電壓，MOSFET設(shè)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。

2、無人機電池包充用于放電管理的MOSFET工作特性

無人機電池包輸出進行大電流測試，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工作特性有三個工作區(qū)：截止區(qū)、線性區(qū)和完全導通區(qū)。在完全導通區(qū)和線性區(qū)工作時候，都可以流過大的電流。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，沒有空穴電流。

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(qū)工作時，VDS的電壓比較高，耗盡層仍然存在，此時由于外延層EPI的耗盡層產(chǎn)生電子-空穴對，空穴也會產(chǎn)生電流，參入電流的導通。

線性區(qū)工作時產(chǎn)生明顯的空穴電流，空穴電流產(chǎn)生后，就會通過MOSFET內(nèi)部的BODY體區(qū)流向S極，這也導致有可能觸發(fā)寄生三極管，對功率MOSFET產(chǎn)生危害。

功率MOSFET在線性區(qū)工作時，器件同時承受高的電壓和高的電流時，會產(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通時小。

（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；負溫度系數(shù)特性進一步惡化局部熱點。

功率MOSFET工作在線性區(qū)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(nèi)部的電場越高，電離加強產(chǎn)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(qū)域達到臨界電場，會產(chǎn)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。

3、實驗及測試

為了測量功率MOSFET的線性區(qū)工作特性，設(shè)計了相應的電路，使用AOS最新一代技術(shù)的MOSFET：AONS32100，導通電阻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。

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MOSFET 開通時，導通阻抗RDS從負溫度系數(shù)區(qū)（NTC工作區(qū)，導通電阻隨溫度升高而減?。┐┰降秸郎囟认禂?shù)區(qū)（PTC工作區(qū)，導通電阻隨溫度升高而增大）。在負溫度系數(shù)區(qū)，熱的單元有更低的導通壓降，周圍的電流會聚集到這個區(qū)域。[1-5]

(a) 負溫度系數(shù)區(qū)

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(b) 線性區(qū)失效過程

圖4：功率MOSFET負溫度系數(shù)區(qū)及線性區(qū)失效

當電流進一步聚集，熱的區(qū)域會產(chǎn)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(qū)域發(fā)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(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)停留時間足夠長，就會形成局部熱點，局部熱點的電流進一步聚集到少數(shù)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。

5、改進方法

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就是一種方法，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，而且具有更低的導通電阻RDS（ON），為當前無人機的電池包管理領(lǐng)域的應用提供最佳解決方案。

圖5：線性區(qū)性能和RDS（ON）對比

6、結(jié)論

無人機電池包的管理應用中，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。同時系統(tǒng)要求MOSFET具有低導通阻抗，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

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

[2] 劉松.基于漏極導通區(qū)特性理解MOSFET開關(guān)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(shù)對負載開關(guān)設(shè)計影響.電子技術(shù)應用,2010,12(36):72-74

[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