理论上,MOSFET进入稳态导通状态时
以下情况才成立:
1.MOSFET导通电阻具有正的温度系数,可并联。
2.一个并联MOSFET温度上升,正温度系数导通电阻也增加,流过电流减小,温度降低,从而实现自动的均流达到平衡。
3.一个功率MOSFET器件,其内部也是有许多小晶胞并联而成,晶胞导通电阻具有正温度系数,因并联工作没问题。
原因:开关转化瞬态过程中,以上即不成立。
功率MOSFET传输特征
MOSFET三区:关断区+饱和区+线性区。
线性区也叫三极区或可变电阻区,在这个区域,MOSFET基本上完全导通。
MOSFET工作在饱和区时,具有信号放大功能,栅极的电压和漏极的电流基于其跨导保持一定的约束关系,栅极的电压和漏极的电流的关系就是MOSFET的传输特性。
μn:反型层中电子的迁移率
COX:氧化物介电常数与氧化物厚度比值
W:沟道宽度
L:沟道长度
温度对功率MOSFET传输特征影响
MOSFET数据表中,典型传输特性,25℃和175℃两条曲线有一个交点,此交点对应着相应的VGS电压和ID电流值,VGS即转折电压。
VGS左下部分曲线
VGS电压一定时,温度越高,流过的电流越大,温度和电流形成正反馈,即MOSFET的RDS(ON)为负温度系数,可将这个区域称为RDS(ON)的负温度系数区域。
如下图所示
VGS右上部分曲线
VGS电压一定时,温度越高,所流过的电流越小,温度和电流形成负反馈,即MOSFET的RDS(ON)为正温度系数,可以将这个区域称为RDS(ON)正温度系数区域。
功率MOSFET内部晶胞的等效模型
在功率MOSFET内部,由许多单元即晶胞并联组成单位面积上,并联晶胞越多,导通电阻RDS(ON)就越小。
晶元面积越大晶胞越多,通电阻RDS(ON)越小。
单元的G极和S极由内部金属导体连接汇集在晶元的某一个位置,由导线引出到管脚,这样G极在晶元汇集处为参考点,其到各个晶胞单元的电阻并不完全一致,离汇集点越远的单元,G极的等效串联电阻就越大。
正是由于串联等效的栅极和源极电阻的分压作用,造成晶胞单元的VGS的电压不一致,从而导致各个晶胞单元电流不一致。
在MOSFET开通的过程中,由于栅极电容的影响,会加剧各个晶胞单元电流不一致。
功率MOSFET开关瞬态过程中晶胞的热不平衡
如下图所示
开通过程中,漏极电流ID在逐渐增大
离栅极管脚处晶胞单元的电压:离其近>离其远
即VG1》VG2》VG3>…,VGS电压高单元,即离其近的流过电流小大,远则电流小。
距离最远地方晶胞可能没导通,因而没有电流流过。
电流大的晶胞单元,温度升高。
功率MOSFET内部等效模型
开通过程中VGS的电压逐渐增大到驱动电压,VGS电压穿越RDS(ON)负温度系数区域,
温度越高晶胞单元,因正反馈,流过电流会增大,晶胞单元温度再上升。
VGS在RDS(ON)负温度系数区域工作或停留的时间越长,晶胞单元就越有过热击穿的可能,造成局部的损坏。
如果VGS从RDS(ON)负温度系数区域到达RDS(ON)的正温度系数区域,没有形成局部的损坏,此时,在RDS(ON)的正温度系数区域,晶胞单元的温度越高,所流过的电流减小,晶胞单元温度和电流形成负反馈,晶胞单元自动均流,达到平衡。
在MOSFET关断过程中,离栅极管脚距离远的晶胞单元的电压降低得慢,容易在RDS(ON)的负温度系数区域形成局部的过热而损坏。
加快MOSFET开通和关断速度,使MOSFET快速通过RDS(ON)负温度系数区域,就可减小局部能量的聚集,防止晶胞单元局部过热而损坏。
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原文标题:MOS管并联工作
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