理解功率MOSFET的RDS(ON)負溫度系數特性

小融一號

記得作者2002年做研發的時候，在熱插撥的應用中就開始關注到這個問題，那時候很難找到相關的資料，最后在功率MOSFET的數據表中根據相關的圖表找到導通電阻RDS(ON)的這個違背常理的特性，然后分享給一些客戶的研發工程師。

最近這些年相關這方面的資料也逐漸多起來，聽過AOS技術分享或看過相關資料的工程師應該理解了這個特性，但是許多沒有關注過這方面資料的工程師聽到這個觀點后，估計會感到非常的驚訝和突然，因為通常的觀點都認為，MOSFET的導通電阻具有正的溫度系數，因此可以并聯工作。

當多個并聯工作的功率MOSFET其中的一個溫度上升時，由于其具有正的溫度系數，導通電阻也增加，因此流過的電流減小，溫度降低，從而實現自動的均流達到平衡，這也是功率MOSFET相對于晶體管最具有優勢的一個特性。同樣對于一個功率MOSFET器件的內部也是有許多小晶胞并聯而成，晶胞的導通電阻具有正的溫度系數，因此并聯工作沒有問題。

但是，當深入理解功率MOSFET的轉移特性和溫度對其轉移特性的影響，就會發現，功率MOSFET的正溫度系數只有在MOSFET進入穩態完全導通后的狀態下才能成立，在開關瞬態的過程中，上述理論并不成立，因此在實際的應用中會產生一些問題，本文將詳細地論述這些問題，以糾正傳統認識的局限性和片面性。

1、功率MOSFET導通電阻RDS(ON)定義及溫度系數

在功率MOSFET數據表中，定義了功率MOSFET的導通電阻以及測量的條件，

如AON6590，VDS=40V，分別列出了VGS=10V、VGS=4.5V的RDS(ON)，如下圖所示。

測量的條件：ID = 20A。

導通電阻的溫度系數用歸一化的圖表列出：

圖1：MOSFET導通電阻溫度系數

看另外的一個MOSFET的測量條件：

在RDS(ON)的測量條件中，列出了測量電流，其中有一個隱含的條件，許多公司沒有列出來，那就是在測量脈沖電流的時間。

通常不同的公司使用不同的測量電流，有些公司直接使用基于硅片最高結溫的額定連續漏極電流ID，有些公司使用基于封裝限制的連續漏極IDPACK，有些公司在上述二者這間取一個中間值，而有些公司取比ID更小的電流值。

如果電流脈沖的時候足夠短，也就是硅片的溫度沒有升起來，那么在不同測量電流下導通電阻RDS(ON)的測量值差別不大，如果電流脈沖的時候比較長，那么硅片的溫度有足夠短時間升起來，此時測量的導通電阻RDS(ON)差別較大。測量的時間，有些公司用400uS，有些公司用250uS，有些公司用125uS，有些公司甚至比125uS的時間更短。

2、溫度對功率MOSFET轉移特征影響

在MOSFET的數據表中通常可以找到它的典型的轉移特性。注意到25℃和175℃兩條曲線有一個交點C，此交點對應著相應的VGS電壓和ID電流值。若稱這個交點C的VGS為轉折電壓，即0溫度系數ZTE(Zero Thermal Coefficient)電壓VGS-ZTC，可以看到：在VGS-ZTC電壓以下的左下部分曲線，如圖2的B點區，VGS電壓一定時，溫度越高，所流過的電流越大，IDB175>IDB25，溫度和電流形成正反饋，即MOSFET的導通電阻RDS(ON)為負溫度系數，可以將這個區域稱為導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域。  

圖2：MOSFET轉移特性

而在VGS-ZTC電壓的右上部分曲線，如圖2的A點區，VGS電壓一定時，溫度越高，所流過的電流越小，IDA25>IDA175，溫度和電流形成負反饋，即MOSFET的導通電阻RDS(ON)的為正溫度系數，可以將這個區域稱為導通電阻RDS(ON)的正溫度系數區域，也就是我們通常所說的完全導通狀態、穩態時，導通電阻的正溫度系數區域。

記時當時作者發表這篇文章的時候，有些讀者認為，VGS電壓較低時，雖然MOSFET開通了，但并不是完全導通狀態，因此不能稱為嚴格意義的導通電阻RDS(ON)，而是應該稱為RDS。事實上，嚴格意義的完全導通狀態并不明確，VGS=10V、8V、6V？既然對于MOSFET的導通電阻RDS(ON)的定義，都有VGS=10V以及VGS=4.5V的條件，那么即便是VGS的電壓較低，此時MOSFET的D、S的電阻稱為導通電阻也沒有多大關系，何況只是一個標稱。

3、功率MOSFET內部晶胞的等效模型

在功率MOSFET的內部由許多單元，即小的MOSFET晶胞并聯組成,在單位的面積上，并聯的MOSFET晶胞越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)就越小。同樣的，晶元的面積越大，那么生產的MOSFET晶胞也就越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)也就越小。所有單元的G極和S極由內部金屬導體連接匯集在晶元的某一個位置，然后由導線引出到管腳，這樣G極在晶元匯集處為參考點，其到各個晶胞單元的電阻并不完全一致，離匯集點越遠的單元，G極的等效串聯電阻就越大。

正是由于串聯等效的柵極和源極電阻的分壓作用，造成晶胞單元的VGS的電壓不一致，從而導致各個晶胞單元電流不一致。在MOSFET開通的過程中，由于柵極電容的影響，會加劇各個晶胞單元電流不一致和晶胞的熱不平衡。

從圖3可以看出：在開通的過程中，漏極的電流ID在逐漸增大，離柵極管腳距離近的晶胞單元的電壓大于離柵極管腳距離遠的晶胞單元的電壓，即VG1>VG2>VG3>…，VGS電壓高的單元，也就是離柵極管腳距離近的晶胞單元，流過的電流大，而離柵極管腳距離較遠的晶胞單元，流過的電流小，距離最遠地方的晶胞甚至可能還沒有導通，因而沒有電流流過。電流大的晶胞單元，它們的溫度升高。

圖3：功率MOSFET的內部等效模型

由于在開通的過程中VGS的電壓逐漸增大到驅動電壓，VGS的電壓穿越導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域，此時，那些溫度越高的晶胞單元，由于正反饋的作用，所流過的電流進一步加大，晶胞單元溫度又進一步上升。如果VGS在導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域工作或停留的時間越大，那么這些晶胞單元就越有過熱擊穿的可能，造成局部的損壞。

如果VGS從導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域到達導通電阻RDS(ON)的正溫度系數區域時沒有形成局部的損壞，此時在導通電阻RDS(ON)的正溫度系數區域，晶胞單元的溫度越高，所流過的電流減小，晶胞單元溫度和電流形成負反饋，晶胞單元自動均流，達到平衡。

相應的，在MOSFET關斷過程中，離柵極管腳距離遠的晶胞單元的電壓降低得慢，容易在導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域形成局部的過熱而損壞。

對于多管的并聯工作過程，和上述的原理相同，在導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域工作，并不能實現理解的并聯均流。

因此，加快MOSFET的開通和關斷速度，使MOSFET快速通過導通電阻RDS(ON)的負溫度系數區域，就可以減小局部能量的聚集，防止晶胞單元局部的過熱而損壞。

負載開關及熱插拔較長時間工作在導通電阻的負溫度系數區，分立MOSFET組成的LDO一直工作在負溫度系數區，以后會推送文章說明這二種應用設計的要點。

4、結論

(1) MOSFET在開通的過程中，導通電阻RDS(ON)從負溫度系數區域向正溫度系數區域轉化；在其關斷的過程中，導通電阻RDS(ON)從正溫度系數區域向負溫度系數區域過渡。

(2) MOSFET串聯等效的柵極和源極電阻的分壓作用和柵極電容的影響，造成晶胞單元的VGS的電壓不一致，從而導致各個晶胞單元電流不一致，在開通和關斷的過程中形成局部過熱損壞。快速開通和關斷MOSFET，可以減小局部能量的聚集，防止晶胞單元局部的過熱而損壞。

文章來源：微信公眾號 融創芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺，項目眾包平臺）

成俊

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小融一號

成俊 發表于 2016-10-7 13:15
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