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无人机电池管理充放电MOSFET的选择

作者:李全 刘松 张龙时间:2019-04-28来源:电子产品世界收藏

  Selection of power MOSFET in drone battery power management

本文引用地址:article/201904/400024.htm

  李全,刘松,张龙

  (万国半导体元件(深圳)有限公司,上海 静安 200070)

  摘要:本文探讨了无人机电池充放电管理系统的功率MOSFET在大电流关断过程中发生失效损坏的原因,分别从功率MOSFET在大电流工作时内部电场分布、分布的电流线分布说明其工作特点和热累积效应,提出了提高功率MOSFET可靠性的方法。最后通过测试验证了方法的可行性和有效性。

  关键词:线性区;

  0 引言

  无人机锂离子电池的容量非常大,高达6000 mAh,以满足更长的飞机时间的需求。电池包的内部通常和输出的负载之间要串联功率MOSFET,同时使用专用的IC控制MOSFET的开关,从而对充、放电进行管理。在实际应用中,正常的情况下功率MOSFET的工作没有问题,但是在一些极端情况下,比如无人机在飞行过程中遇到碰撞时,电池就会流过非常大的电流,IC检测到输出过流后,要延时一段时间才能做出保护动作,那么在延时的时间内,由于MOSFET的工作电流非常大,MOSFET就会工作在线性区,这就要求MOSFET承受大电流冲击的同时还要承受高电压,MOSFET设计和选型就非常重要,否则会造成MOSFET的损坏,导致无人机从空中坠毁。

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  1 无人机电池包充放电管理的MOSFET工作特性

  无人机电池包进行大电流输出测试,内部MOSFET的工作波形如图1所示,MOSFET在大电流测试的关断过程中工作在线性区。

  功率MOSFET工作特性有三个工作区:截止区、线性区和完全导通区。在完全导通区和线性区工作时候,都可以流过大的电流。图2分别显示了在完全导通区和线性区工作的电势、空穴和电流线分布图。理论上,功率MOSFET是单极型器件,对于N沟道的功率MOSFET,完全导通的时候,只有电子电流,没有

  功率MOSFET完全导通时,VDS的压降低,耗尽层完全消失;功率MOSFET在线性区工作时,VDS的电压比较高,耗尽层仍然存在,此时由于在EPI耗尽层产生电子-空穴对,空穴也会产生电流,参入电流的导通。

  空穴电流产生后,就会通过MOSFET内部的BODY体区流向S极,这也导致有可能触发寄生三极管,对功率MOSFET产生危害。由图可见:线性区工作时产生明显的空穴电流,电流线也扩散到P型BODY区。

  功率MOSFET在线性区工作时,器件同时承受高的电压和高的电流时,会产生下面的问题:

  (1)内部的电场大,注入更多的空穴。

  (2)有效的沟道宽度比完全导通时小。

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  (3)降低Vth和降低击穿电压。

  (4)Vth低,电流更容易倾向于局部的集中,形成热点;负温度系数特性进一步恶化

  功率MOSFET工作在线性区时,器件承受高的电压,高的电压偏置的耗尽层,导致有效的体电荷减小;工作电压越高,内部的电场越高,电离加强产生更多电子空穴对,形成较大的空穴电流。特别是如果工艺不一致,局部区域达到临界电场,会产生非常强的电离和更大的空穴电流,增加寄生三极管导通的风险。

  2 实验及测试

  为了测量功率MOSFET的线性区工作特性,设计了相应的电路,使用AOS最新一代SGL1技术的MOSFET:AONS32100,导通电阻0.55 W,电压为25 V,采用DFN5X6封装。电路和测试波形如图3所示。图3中示出的是10 V/10 ms的SOA的测试波形,电路可以针对具体的使用相应的测量条件,从而更加符合实际应用的要求。

  3 失效原因分析

  如图4所示,当MOSFET 开通时,导通阻抗R DS 从(NTC工作区,导通电阻随温度升高而减小)穿越到正温度系数区(PTC工作区,导通电阻随温度升高而增大)。在,热的单元有更低的导通压降,周围的电流会聚集到这个区域。 [1-5]

  当电流进一步聚集,热的区域会产生正反馈:单个单元导通电阻更小,就会流过更多的电流,更多的电流会让这个区域发热量更大,温度升高,温度升高导致这个单元的导通电阻更小,在线性区形成正反馈。

  一旦内部单元形成正反馈,如果器件在线性区停留时间足够长,就会形成,局部热点的电流进一步聚集到少数温度更高的单元,这些单元的温度就会进一步升高。并且最终导致器件热击穿损坏。

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  4 改进方法

  增大Source Ballasting(源极填充物)阻抗, 提供负反馈是一个可行有效的办法。例如当FET2电流Ids2增大,FET2 源极电阻电压Vs2=Rsb2*Ids2就会升高,当外部驱动电压Vg一致时,FET2的有效驱动电压Vgs2=Vg-Vs2 就会减小,Ids2=(Vgs2-Vth)×gFS就会减小,从而形成负反馈系统,有效限制局部电流集聚效应,提高器件线性区操作可靠性。沟槽MOSFET内部由多个晶胞并联组成,单个晶胞增大源极阻抗,并联之后增加的阻抗可以忽略,不会额外增加器件的导通阻抗。

  提高单元之间的间隔,防止邻近单元相互加热而形成局部热点是另外的一种方法,由此带来的导通电阻的增加,可以通过其它的方式来加以改善,如结构的优化改变电场的形态和电流线的分布,从而降低导通电阻 [6]

  优化后的功率MOSFET线性区的工作性能如图5所示,可以看到,AOS新一代采用TLM1技术的功率MOSFET,不但具有优异的线性区性能,而且具有更低的导通电阻R DS(ON) ,为当前无人机的电池包管理领域的应用提供最佳解决方案。

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  5 结论

  无人机电池包的管理应用中,功率MOSFET在大电流测试的关断过程中,工作于高压大电流冲击的线性区,需要使用具有优异线性区工作特性的功率MOSFET。同时系统要求MOSFET具有低导通阻抗,以满足大电流,低损耗,发热量低的要求。

  参考文献

  [1] 刘松.理解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性.今日电子,2009,11:25-26

  [2] 刘松.基于漏极导通区特性理解MOSFET开关过程.今日电子,2008,11:74-75

  [3] 刘松.理解功率MOSFET的电流.今日电子,2011,11:35-37

  [4] 刘松.脉冲漏极电流IDM及短路保护.今日电子,2018,1:21-23

  [5] 刘松,陈均,林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响.电子技术应用,2010,12(36):72-74

  [6] 刘松.超结型高压功率MOSFET结构工作原理.今日电子,2013,11:30-31

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第5期第69页,欢迎您写论文时引用,并注明出处



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