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1、功率MOSFE在负载开关应用中的设计要点作者: 葛小荣 刘松万代半导体元件有限公司摘要：为了提高功率MOSFE在负载开关电路中应用中的可靠性，本文阐述了在负载开关电路中 功率MOSFE的设计要点，包括如何控制 MOSFE的开关速度以避免 MOSFE在饱和区的熔丝效 应、开关功耗计算、管芯温升的计算以及利用仿真来配合调整驱动参数等，保证功率管工作在安 全工作区。P沟道的功率MOSFET由于驱动电路设计简单，因此广泛的应用于负载开关电路，从而控制负载 通断、调整上电时序以及限制开通电流等作用。在这些应用中，功率MOSFET的驱动电路可由集成驱动芯片或分立器件控制。本文将基于分立器件控制电路，说明在
2、这些应用中如何调整驱动参 数来避免处于饱和区的功率 MOSFET产生熔丝效应，从而导致其提前失效；同时，通过单次脉冲 功率来计算MOSFET内部硅片的瞬态温升，确保MOSFET不会因过功率而损坏。基本电路P沟道的功率MOSFET应用于负载开关电路时，将使用在高端做负载开关，如图1所示。电源经P-MOS给负载供电，由于后接负载通常为容性负载，如不对开关速度加以控制，则开通时冲击 电流很大，因此，在使用时通常在功率 MOSFET栅极和源极加一个电容C1，来控制功率 MOSFET开通速度，从而达到控制开机的浪涌电流大小，满足设计要要求。开通过程的瞬态温升 在功率MOSFET开通或关断过程中，高的电压
3、和电流产生很大的瞬态功 耗，因此必须计算功率 MOSFET开关时的瞬态温升，以确保 MOSFET不会因过热而损坏。图2 为 U1： AOL1413 用作负载开关时的开通波形，参数为： V1：19V，R1：150K， R2： 39K， C1： O.luF,负载电容C2为200uF。由图可知，开通时间为411uS。开通时的瞬态功率达 129W，以此来计算硅片的瞬态温升。Tj = Ta + Pdm * Z ejc * R ojc = 65 + 0.577 * 129 * 0.35 * 4 = 169 C其中Pdm取脉冲的有效值，约为0.577*129W; Zjc取400uS处的值，约为0.35; R
4、c取数据手册 中的最大值4 C/W;假设Ta为65C。计算的瞬态温升达169C，功率MOSFET的最高允许结温 为175C，因此，在这种条件下，需要考虑更换合适的 MOSFET来满足应用的需要。关断时的瞬态温升 在一些应用场合，还要考虑关断时的损耗和温升。在图 4所示的负载开关电 路中，如果没有快速关断电路，则其关断波形如图5a所示，关断时间很长，达40ms。这是因为关断时是靠R2给C3放电，R2值较大，相对于R1，所以导致关断时间长，从而引起关断损耗和温升也会相对较高。如果加上图 4中所示的快速关断电路，则关断波形如图 5b所示，关断损 耗几乎为零。可以利用MOSFET的Spice模型来建立
5、仿真电路，对 C3的值进行参数扫描分析，来确定合适 的R1、R2和C3值。在仿真中很容易计算 MOSET的耗散功率，从而确定 MOSFET是否过功 率，这将大大提高设计效率。在应用中特别要注意当负载为阻性负载时，如果没有快速放电电路则关断损耗会很大，因为容性 负载在MOSFET关断时可以为负载提供部分电流，减小了瞬态关断损耗。MOSFET开关过程中的熔丝效应MOSFET转移特性为在一定的漏极电压下栅极电压和漏极电流的关系，注意到此时MOSFET工作在饱和区，典型的MOSFET转移特性曲线如图6所示。在图中所示交点之前，MOSFET的漏 极电流Id为正温度系数，即相同的Vgs下，温度越高，Id越
6、大。MOSFET工作在饱和区的栅极电 流可由下式计算：Id =K(Vgs-Vth)2(1)其中：K = W ；Cx ，W为沟道宽度，L为沟道长度，Un为电子迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容。Cox = ， ox为二氧化硅介电常数，Tx为栅极氧化层厚度TOXVth是负温度系数，随着温度的升高 Vth降低。在相同Vgs的情况下整个MOSFET的漏极电流会增 加。从微观的角度来看，一颗 MOSFET的芯片，内部通常是由许多小单元组成，如图 7所示。 同样，每个小的单元在饱和区Vth也随着温度的升高而下降。在MOSFET开通和关断的过程中，MOSFET处于饱和区，如果由于某种原因导致 MOSFET
7、部分 单元的温度比其它单元温度高，则这些单元的 Vth会比其它单元的Vth低，在相同的Vgs下，这些 单元流过的电流比其它单元大而消耗更多的功率，它们的温度会更高，从而形成了正反馈，MOSFET的局部单元会很快因为温度过高而热击穿。这个过程称之为电热不平衡。导致热不平衡的原因很多：从硅片的角度看，由于生产的原因，其中每个小的 MOSFET单元的 氧化层厚度，参杂浓度等不可能完全一致，因此导致每个单元不可能完全一致。从加工的过程 看，在硅片焊接至框架(Lead frame)的过程中，焊料中难免会有空气存在，从而行成气隙，使相 应区域热阻变大，导致温升不平衡。从整体结构看，由于硅片安装在散热片上，
8、硅片中间的热量 较边缘的热量难以传导出去，即中间的热阻要大于边缘的热阻，如图8所示。所以热点通常产生在硅片的中间，因为那里的温度最高。由于这种原因损坏的硅片通常如图 9 所示。通常认为只要 MOSFET 工作在安全工作区内就不会损坏，其实这样的结论通常只适用于MOSFET工作在PWM模式下，MOSFET大部分时间处于完全导通状态，开通和关断的时间很 短。而负载开关这样的应用， MOSFET 在开通和关断时，有很长一段时间是工作在电流饱和 区，这样的应用就要考虑到MOSFET在开关过程中的电热不稳定性，应将 MOSFET的安全工作 区缩小使用，即应尽量避免工作在右下角的电热不稳定区 1。结论1
9、负载开关电路中，功率MOSFET工作在电流饱和区，在满足系统允许的开机浪涌电流情况 下，应尽量提高MOSFET的开通速度，从而避免功率MOSFET工作于热不稳定区。2开关速度越快，峰值浪涌电流越大，瞬态温升也会越高，单元的热不稳定性越小；开关速度 越慢，峰值浪涌电流越小，瞬态温升也会越低，单元的热不稳定性越大。选择合适的开关时间， 以保证瞬态温升和开通时间之间的平衡。3实际应用中要考虑最恶劣的应用条件，如最高的工作温度以及多次脉冲的工作状态，来计算 功率MOSFET在开关过程中的瞬态功率和温升。参考文献1 Abdus Sattar. MOSFETs Withstand Stress of Li
10、near-Mode Operation. Power Electronics Technology. April 2007第一作者简介：葛小荣（1975-）,男，江苏东台人，工程师，研究方向为功率MOSFE及其应用。联系电话：021-63533218-2865 13501640811图1:高端负载开关典型应用电路StouLnJu 1-794-P0dp5 iok plants 15.1 Vjio Feb aoiffValue MeanMlnMaxStd Dev 110:07:18_0 VI 的15.0 a1 乳期i 5. nis.ci o.odt / （400us/ 格）图2 : AOL1413
11、用作负载开关时的开通波形10i I H I4I I _三 In descending orderD=0.5r 0 3, 0.1, 0.05,0.02,0 01, single puEsea 口芝兰更盟比一席UUMI =eli_l_dH=mM0NurhfD%TL p=Tl+Pqu Zjt Rijc隔二训I I lllll11 mu i 11 min快速关断回蹌PARAMETERS:R730mR5J1k!_TQ3IQ2N5551：C3CV1 f12Vdc3WV2器丄T1 sR320C2 Q2N55510.01udrI丨川III III0 000010 00010.001 001 01 1Pulse
12、 Width (s)10100图3: AOL1413瞬态热阻曲线Sirte PuM图4:带快速关断电路的负载开关仿真电路T+USDV,SGV格 抽iriLA i iT 二；mu、 r j 暑 w 屏O 卜1如為创血-T卫住丄iF从 劉觀 1Ut / （40ms/ 格）t / （400us/ 格）有快速关断电路的关断波形(a):无快速关断电路的关断波形(b)图5:关断波形图6 : MOSFET转移特性叵叵叵叵回回 匚回回回回回j口Cel1=| = F叵回回回回回回匸】叵叵回回回回匸叵叵回回回回回匸叵回回回回回匸】图7 : MOSFET内部结构等效图DIEhmmLead frame图&硅片散热示意图图9:局部过热导致热击穿10电热不稳定区0.01 0.1 110001001010J0.01% (Volts)图10 :考虑电热不稳定性的安全工作区
功率MOSFET在负载开关应用中的设计要点
