理解功率MOSFET的RDS(ON)温度系数特性

通常，许多资料和教材都认为，MOSFET的导通电阻具有正的温度系数，因此可以并联工作。当其中一个并联的MOSFET的温度上升时，具有正的温度系数导通电阻也增加，因此流过的电流减小，温度降低，从而实现自动的均流达到平衡。同样对于一个功率MOSFET器件，在其内部也是有许多小晶胞并联而成，晶胞的导通电阻具有正的温度系数，因此并联工作没有问题。但是，当深入理解功率MOSFET的传输特性和温度对其传输特性的影响，以及各个晶胞单元等效电路模型，就会发现，上述的理论只有在MOSFET进入稳态导通的状态下才能成立，而在开关转化的瞬态过程中，上述理论并不成立，因此在实际的应用中会产生一些问题，本文将详细地论述这些问题，以纠正传统认识的局限性和片面性。

 

　　功率MOSFET传输特征

 

　　三极管有三个工作区：截止区、放大区和饱和区，而MOSFET对应的是关断区、饱和区和线性区。MOSFET的饱和区对应着三极管的放大区，而MOSFET的线性区对应着三极管的饱和区。MOSFET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。

　　当MOSFET工作在饱和区时，MOSFET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。

　　

　　其中，μn为反型层中电子的迁移率，COX为氧化物介电常数与氧化物厚度比值，W和L分别为沟道宽度和长度。

 

　　温度对功率MOSFET传输特征影响

 

　　在MOSFET的数据表中，通常可以找到它的典型的传输特性。注意到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。若称这个交点的VGS为转折电压，可以看到：在VGS转折电压的左下部分曲线，VGS电压一定时，温度越高，所流过的电流越大，温度和电流形成正反馈，即MOSFET的RDS（ON）为负温度系数，可以将这个区域称为RDS（ON）的负温度系数区域。

 

　　

　　图1 MOSFET转移特性

 

　　而在VGS转折电压的右上部分曲线，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的内部，由许多单元，即小的MOSFET晶胞并联组成，在单位的面积上，并联的MOSFET晶胞越多，MOSFET的导通电阻RDS（ON）就越小。同样的，晶元的面积越大，那么生产的MOSFET晶胞也就越多，MOSFET的导通电阻RDS（ON）也就越小。所有单元的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，然后由导线引出到管脚，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

 

　　从图2可以看出：在开通的过程中，漏极的电流ID在逐渐增大，离栅极管脚距离近的晶胞单元的电压大于离栅极管脚距离远的晶胞单元的电压，即VG1>VG2>VG3>…，VGS电压高的单元，也就是离栅极管脚距离近的晶胞单元，流过的电流大，而离栅极管脚距离较远的晶胞单元，流过的电流小，距离最远地方的晶胞甚至可能还没有导通，因而没有电流流过。电流大的晶胞单元，它们的温度升高。

 

　　

　　图2 功率MOSFET的内部等效模型

 

　　由于在开通的过程中VGS的电压逐渐增大到驱动电压，VGS的电压穿越RDS（ON）的负温度系数区域，此时，那些温度越高的晶胞单元，由于正反馈的作用，所流过的电流进一步加大，晶胞单元温度又进一步上升。如果VGS在RDS（ON）的负温度系数区域工作或停留的时间越大，那么这些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）的负温度系数区域到达RDS（ON）的正温度系数区域时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。

　　相应的，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。

　　因此，加快MOSFET的开通和关断速度，使MOSFET快速通过RDS（ON）的负温度系数区域，就可以减小局部能量的聚集，防止晶胞单元局部的过热而损坏。

　　基于上面的分析，可以得到：当MOSFET局部损坏时，若损坏的热点位于离栅极管脚距离近的区域，则可能是开通速度太慢产生的局部的损坏；若损坏的热点位于离栅极管脚距离远的区域，则可能是关断速度太慢产生的局部损坏。

　　在栅极和源极加一个大的电容，在开机的过程中，就会经常发生MOSFET损坏的情况，正是由于额外的大的输入电容造成晶胞单元VGS电压更大的不平衡，从而更容易导致局部的损坏。

 

　　结论

 

　　1．MOSFET在开通的过程中，RDS（ON）从负温度系数区域向正温度系数区域转化；在其关断的过程中，RDS（ON）从正温度系数区域向负温度系数区域过渡。

　　2．MOSFET串联等效的栅极和源极电阻的分压作用和栅极电容的影响，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，在开通和关断的过程中形成局部过热损坏。

　　3．快速开通和关断MOSFET，可以减小局部能量的聚集，防止晶胞单元局部的过热而损坏。开通速度太慢，距离栅极管脚较近的区域局部容易产生局部过热损坏，关断速度太慢，距离栅极管脚较远的区域容易产生局部过热损坏。