理論上,MOSFET進入穩態導通狀態時
以下情況才成立:
1.MOSFET導通電阻具有正的溫度系數,可并聯。
2.一個并聯MOSFET溫度上升,正溫度系數導通電阻也增加,流過電流減小,溫度降低,從而實現自動的均流達到平衡。
3.一個功率MOSFET器件,其內部也是有許多小晶胞并聯而成,晶胞導通電阻具有正溫度系數,因并聯工作沒問題。
原因:開關轉化瞬態過程中,以上即不成立。
功率MOSFET傳輸特征
MOSFET三區:關斷區+飽和區+線性區。
線性區也叫三極區或可變電阻區,在這個區域,MOSFET基本上完全導通。
MOSFET工作在飽和區時,具有信號放大功能,柵極的電壓和漏極的電流基于其跨導保持一定的約束關系,柵極的電壓和漏極的電流的關系就是MOSFET的傳輸特性。
μn:反型層中電子的遷移率
COX:氧化物介電常數與氧化物厚度比值
W:溝道寬度
L:溝道長度
溫度對功率MOSFET傳輸特征影響
MOSFET數據表中,典型傳輸特性,25℃和175℃兩條曲線有一個交點,此交點對應著相應的VGS電壓和ID電流值,VGS即轉折電壓。
VGS左下部分曲線
VGS電壓一定時,溫度越高,流過的電流越大,溫度和電流形成正反饋,即MOSFET的RDS(ON)為負溫度系數,可將這個區域稱為RDS(ON)的負溫度系數區域。
如下圖所示
VGS右上部分曲線
VGS電壓一定時,溫度越高,所流過的電流越小,溫度和電流形成負反饋,即MOSFET的RDS(ON)為正溫度系數,可以將這個區域稱為RDS(ON)正溫度系數區域。
功率MOSFET內部晶胞的等效模型
在功率MOSFET內部,由許多單元即晶胞并聯組成單位面積上,并聯晶胞越多,導通電阻RDS(ON)就越小。
晶元面積越大晶胞越多,通電阻RDS(ON)越小。
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,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。
功率MOSFET開關瞬態過程中晶胞的熱不平衡
如下圖所示
開通過程中,漏極電流ID在逐漸增大
離柵極管腳處晶胞單元的電壓:離其近>離其遠
即VG1》VG2》VG3>…,VGS電壓高單元,即離其近的流過電流小大,遠則電流小。
距離最遠地方晶胞可能沒導通,因而沒有電流流過。
電流大的晶胞單元,溫度升高。
功率MOSFET內部等效模型
開通過程中VGS的電壓逐漸增大到驅動電壓,VGS電壓穿越RDS(ON)負溫度系數區域,
溫度越高晶胞單元,因正反饋,流過電流會增大,晶胞單元溫度再上升。
VGS在RDS(ON)負溫度系數區域工作或停留的時間越長,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RDS(ON)負溫度系數區域到達RDS(ON)的正溫度系數區域,沒有形成局部的損壞,此時,在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。
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RDS(ON)的負溫度系數區域形成局部的過熱而損壞。
加快MOSFET開通和關斷速度,使MOSFET快速通過RDS(ON)負溫度系數區域,就可減小局部能量的聚集,防止晶胞單元局部過熱而損壞。
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原文標題:MOS管并聯工作
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