Основы теории и особенности применения линейных MOSFET

Многие приложения, такие как активная нагрузка, линейные регуляторы и усилители класса А, требуют применения MOSFET в линейном режиме, для которого необходимо наличие расширенной области безопасной работы и возможность рассеивать большую мощность. Такой режим работы сильно отличается от «обычного» ключевого режима, когда транзистор находится либо во включенном, либо в выключенном состоянии. MOSFET, работающий в линейном режиме, подвержен воздействию большого тока протекающего при высоком приложенном напряжении, что приводит к значительной рассеиваемой мощности. Когда термоэлектрическое воздействие достигает некоторого критического уровня, возможно образование локальных перегревов, ведущих к выходу транзистора из строя.

Рис. 1. Выходная характеристика N-канального силового MOSFET

На рис. 1 показана типовая выходная характеристика N-канального MOSFET, на которой присутствуют несколько рабочих областей. Область отсечки подразумевает, что напряжение на затворе ниже напряжения включения V_gs(th) и транзистор находится в закрытом состоянии или цепь «сток–исток» разорвана. Область омического сопротивления является зоной, где транзистор ведет себя подобно резистору, сопротивление которого R_ds эквивалентно соотношению V_ds/I_ds. В линейном режиме транзистор работает в режиме насыщения тока, и величина тока стока I_ds является функцией напряжения «затвор–исток» V_gs.

I_ds = K(V_gs–V_gs(th))² = g_fs(V_gs–V_gs(th)),            (1)

где К — параметр, зависящий от температуры и геометрии транзистора, а g_fs — коэффициент усиления тока или крутизна характеристики. Когда напряжение на стоке V_ds увеличивается, положительный потенциал на стоке приводит к снижению напряжения на затворе и снижению поверхностного потенциала канала. Область инверсного слоя в канале сужается при увеличении напряжения на стоке, вплоть до нулевого значения при значении напряжения стока на уровне ((V_gs–V_gs(th)). Эта точка называется точкой сужения канала, в которой происходит насыщение тока стока [2].

График FBSOA в документации на MOSFET позволяет определить максимально допустимые границы использования конкретных транзисторов в определенных режимах. На рис. 2 показан типовой график FBSOA для N-канального силового MOSFET.

Он ограничен максимальным напряжением «исток–сток» V_dss, максимальным коммутируемым током I_dm и константой максимальной рассеиваемой мощности для импульсов заданной длительности. На графике приведены кривые для постоянного тока, а также для одиночных импульсов длительностью 10 и 1 мс, 100 и 25 мкс. Верхняя часть графика имеет излом и состоит из двух областей: левая часть имеет положительный наклон и определяет максимальный допустимый ток за счет сопротивления открытого канала R_dson. Правая часть графика имеет отрицательный наклон (спадает) и определяется максимальной допустимой мощностью рассеивания на транзисторе P_d. С правой стороны график ограничен максимально допустимым напряжением «исток–сток» V_dss.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на транзисторе определяется формулой:

P_d = [T_j(max)–T_C]/Z_thJC = V_dsI_d,          (2)

где Z_thJC — тепловое сопротивление «кристалл–корпус», T_j(max) — максимально допустимая температура кристалла MOSFET.

Константа максимально рассеиваемой мощности, которая определяет правую, спадающую границу графика, является теоретической величиной, предполагающей равномерное распределение температуры по всей площади кристалла транзистора. Но это допущение не всегда является верным, особенно для кристаллов MOSFET большой площади. Во-первых, края кристалла, которые имеют контакт с элементами корпуса, обычно имеют более низкую температуру, чем центр. Во-вторых, неоднородность материалов (пустоты и шероховатости в местах контакта) может приводить к локальным ухудшениям параметров теплопроводности и к увеличению локальной температуры. В-третьих, неравномерности в концентрации примесей и толщине изолирующего оксидного слоя могут приводить к разбросу напряжения открывания и коэффициента передачи в разных областях кристалла, что, в свою очередь, будет приводить к неоднородности локальной температуры в разных областях кристалла.

Неравномерность локальной температуры различных областей кристалла несущественна при ключевом режиме работы MOSFET, но данные особенности могут привести к плачевным результатам при эксплуатации транзистора в линейном режиме, при длительности импульса, большей, чем время распространения тепла от кристалла к радиатору. Современные MOSFET оптимизированы для работы в ключевом режиме и имеют ограниченные возможности применения в правой нижней части графика FBSOA — по причине области электротемпературной нестабильности, обозначенной на рис. 2.

Рис. 2. Типовая характеристика области безопасной работы FBSOA силового N-канального MOSFET

Электротемпературная нестабильность (ETI) может быть понята как результат действия механизма положительной обратной связи на поверхности силового MOSFET, работающего в линейном режиме:

• возникает локальное увеличение температуры в определенной области кристалла;
• возникает локальное снижение порогового напряжения V_gs (этот параметр имеет отрицательный температурный коэффициент) в локальной области;
• увеличивается локальная плотность тока J_ds ~ (V_gs–V_gs(th));
• увеличение локального тока приводит к увеличению локальной выделяемой мощности, что, в свою очередь, приводит к дальнейшему локальному увеличению температуры.

В зависимости от длины импульса, особенностей распространения тепла и топологии кристалла электротемпературная нестабильность может приводить к концентрации всего коммутируемого тока в малых локальных областях структуры, создавая очаги перегрева. Это обычно приводит к потере контроля управления в данной области и включению паразитного биполярного транзистора, которое приводит к лавинообразному выходу из строя всей структуры.

Компания IXYS разработала структуру и технологию производства силовых MOSFET, обладающих расширенной областью безопасной работы FBSOA и способных подавлять положительную обратную связь в эффекте электротемпературной нестабильности ETI. Новая структура MOSFET имеет неравномерное распределение ячейки и различные пороги управляющего напряжения [3]. Каждая ячейка нового транзистора имеет встроенный резистор в цепи стока, который ограничивает коммутируемый ток [4]. Паразитный транзистор имеет шунтирование и не способен включиться даже в самых крайних режимах. В дополнение, выходной контроль предполагает 100%-ное измерение скорости распространения тепла в транзисторе для исключения влияния пайки и других технологических процессов.

Рис. 3. Область FBSOA линейного MOSFET IXTK22N100L компании IXYS

Таким образом, компания IXYS предлагает новое семейство линейных MOSFET, имеющих расширенную область FBSOA и пригодных для применения в линейном режиме. Документация на эти транзисторы содержит гарантированную характеристику FBSOA. Для примера на рис. 3 показан пример FBSOA для линейного транзистора IXTK22N100L, где кривая DC является результатом реальных тестов. Список доступных линейных MOSFET первого поколения (сейчас выпущены и более новые версии — см. www.ixys.com) приводится в таблице.

Исходя из формулы (2), для одиночного MOSFET, подобного IXTK22N100L на напряжении 1000 В, максимальная рассеиваемая мощность составит 700 Вт. Этот уровень мощности обычно характерен для ключевого режима работы транзистора и не является верным для линейного режима. Так, в линейном режиме, на напряжении 800 В при токе I_d = 0,3 А и T_c = +90 °C, гарантированная рассеиваемая мощность составит 240 Вт.

Примеры применения

Активная нагрузка

Предположим, что есть некий регулируемый источник питания на 2 А/600 В, который должен быть протестирован на активной нагрузке, собранной из нескольких MOSFET, работающих в параллель. В этом случае MOSFET должен иметь максимальное напряжение не ниже 1000 В и иметь способность рассеивать максимальную мощность источника, плюс некий запас на проверку работоспособности защиты от превышения тока.

Транзистор IXTK22N100L имеет максимальное напряжение 1000 В и максимальную рассеиваемую мощность 700 Вт в ключевом режиме. Но эта мощность не может быть использована при тепловом расчете в линейном режиме. Для линейного режима необходимо оперировать областью безопасной работы SOA с максимальной рассеиваемой мощностью 240 Вт при напряжении 800 В, I = 0,3 A, T_c = +90 °C. Выберем запас 20% что означает максимальную рассеиваемую мощность 192 Вт.

Максимальная выходная мощность источника питания равна 1200 Вт. При запасе на проверку защиты от короткого замыкания в 20%, мощность сборки из параллельно включенных MOSFET должна составить не менее 1440 Вт. Количество параллельно включенных MOSFET составит 1440/192 = 8 шт. Типовая схема включения показана на рис. 4.

Рис. 4. Схема для проверки источника питания 2 А/600 В с помощью активной нагрузки

Резисторы Rs1–Rs8 служат для контролирования тока стока каждого MOSFET. Разброс их сопротивления будет определять точность распараллеливания токов в параллельно работающих транзисторах. Напряжение с измерительных резисторов Rs1–Rs8 подается на инвертирующий вход операционного усилителя, включенного в затвор MOSFET. Неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с общим входом управления током стока [1].

Управление двигателем

На рис. 5 показана схема управления электродвигателем, в котором питающее напряжение от батареи подается через два параллельно включенных MOSFET, установленных на одном радиаторе.

Рис. 5. Схема линейного управления электродвигателем

Ток стока силового MOSFET, работающего в линейном режиме, определяется напряжением «затвор–исток». Напряжение на электродвигателе равно разнице напряжения батареи минус напряжение «исток–сток». Управление осуществляется с помощью драйвера, который отслеживает ток через транзисторы и выставляет нужное напряжение на затворе.

Линейный регулятор

Рис. 6 иллюстрирует типовой линейный регулятор, в котором выходные параметры устанавливаются с помощью изменения падения напряжения на проходном транзисторе. Проходной транзистор работает в линейном режиме, и его поведение похоже на переменный резистор. Данная схема требует рассеивания большой мощности и расширенной области безопасной работы FBSOA. N-канальные силовые MOSFET, приведенные в таблице, могут быть применены в данных приложениях для обеспечения большой выходной мощности.

Рис. 6. Типовая схема линейного регулятора