引言

開關電源應用中，功率MOSFET工作于開關狀態(tài)，在截止區(qū)和完全導通的飽和區(qū)之間高頻切換，由于在切換過程中要經過線性區(qū)，因此產生開關損耗。本文著重介紹MOSFET開關在線性區(qū)的微觀動態(tài)過程中，容易忽視的一個概念-零溫度系數點ZTC,圍繞ZTC展開的相關狀態(tài)討論。

MOSFET完全導通時，RDS(ON)處于正溫度系數區(qū)，局部單元的溫度增加，電流減小溫度降低，芯片具有自動平衡電流的分配能力。

但在跨越線性區(qū)時，會產生動態(tài)的不平衡，VGS電壓低，通常在負溫度系數區(qū)，局部單元過熱導致其流過更大的電流，結果溫度更高，從而形成局部熱點導致器件損壞，這樣就形成一個熱電不穩(wěn)定性區(qū)域ETI (Electric Thermal Instability)，發(fā)生于VGS低于溫度系數為0（ZTC）的負溫度系數區(qū)。

一、什么是零溫度系數點ZTC

（Zero Temperature Coefficient）

如圖1功率MOSFET的轉移特性所示，25℃和150℃兩條曲線有一個交點，此交點對應著相應的VGS與電流ID曲線有一個溫度系數為0的電壓值2.7V，通常這個點就稱為零溫度系數點ZTC（Zero Temperature Coefficient）（即溫度系數=0）。VGS高于2.7V時，溫度越高電流越小，功率MOSFET的RDS(ON)是正溫度系數；VGS低于2.7V時，溫度越高電流越大，功率MOSFET的RDS(ON)是負溫度系數。

圖1 MOSFET Transfer Characteristic

二、從MOSFET內部結構理解RDS(ON)與熱平衡變化過程

在功率MOSFET的內部由許多單元，即小的MOSFET元胞(Cell)并聯組成，每個單元等效為一個電容和電阻,在單位的面積上，并聯的MOSFET元胞越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)就越小。同樣的，管芯的面積越大，那么組成MOSFET的元胞也就越多，MOSFET的導通電阻RDS(ON)也就越小。所有單元的G極和S極由內部金屬導體連接匯集在芯片表面的某一個位置，然后由導線引出到管腳，這樣以G極在管芯匯集處為參考點，其到各個元胞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，造成元胞的VGS的電壓不一致，從而導致各個元胞電流不一致。在MOSFET開通的過程中，由于柵極電容的影響，會加劇各個元胞電流不一致和元胞的熱不平衡。

從如下圖2可形象的看出：在開通的過程中，漏極的電流ID在逐漸增大，離柵極管腳距離近的元胞的電壓大于離柵極管腳距離遠的元胞的電壓，VGS電壓高的單元，也就是離柵極管腳距離近的元胞，流過的電流大，而離柵極管腳距離較遠的元胞，流過的電流小，距離最遠地方的元胞甚至可能還沒有導通，因而沒有電流流過。電流大的元胞，它們的溫度升高。

由于在開通的過程中VGS的電壓逐漸增大到驅動電壓，VGS的電壓穿越RDS(ON)的負溫度系數區(qū)域，此時，那些溫度越高的元胞，由于正反饋的作用，所流過的電流進一步加大，元胞溫度又進一步上升。如果VGS在RDS(ON)的負溫度系數區(qū)域工作或停留的時間越大，那么這些元胞就越有過熱擊穿的可能，造成局部的損壞。

如果VGS從RDS(ON)的負溫度系數區(qū)域到達RDS(ON)的正溫度系數區(qū)域時沒有形成局部的損壞，此時，在RDS(ON)的正溫度系數區(qū)域，元胞的溫度越高，所流過的電流減小，元胞單元溫度和電流形成負反饋，元胞單元自動均流，達到平衡。

相應的，在MOSFET關斷過程中，離柵極管腳距離遠的元胞的電壓降低慢，容易在RDS(ON)的負溫度系數區(qū)域形成局部的過熱而損壞。

圖2 MOSFET的內部等效模型

三、適合線性區(qū)工作的MOSFET

無錫新潔能股份一直在努力通過設計和工藝優(yōu)化縮小MOSFET元胞的尺寸（提高cell pitch 密度），以便在維持給定額定電流的同時減小整體器件的chip size，然而，減小功率MOS的管芯面積可能使器件的溫度管理惡化。基本上，期望以熱穩(wěn)定狀態(tài)操作MOSFET器件。當MOSFET的溫度導致通過器件本身的減小電流時，器件是熱穩(wěn)定的。當升高溫度導致增大電流時，晶體管器件是熱不穩(wěn)定的。在這種情況下，增大的電流可能進一步升高溫度，這可能再次增大電流等現象導致器件的失效。對于給定的MOSFET器件，可能存在電流密度極限，其中器件在高于電流密度極限的電流密度處是熱穩(wěn)定的，并且在低于電流密度極限的電流密度處是熱不穩(wěn)定的。已經觀察到，減小功率晶體管的晶體管單元的尺寸經常導致電流密度極限的增大，這相當于其中晶體管器件熱不穩(wěn)定的電流范圍的增大。

圖3為通用Trench型MOSFET在不同元胞尺寸下，器件完全導通的電流線仿真圖，可看到小的元胞尺寸下功率MOSFET局部區(qū)域電流線更密集，更容易產生局部的電場集中。SGT屏蔽柵也是同樣的模型。因此，新潔能有采取特殊的方法進行優(yōu)化,研發(fā)出適用于在線性區(qū)的工作狀態(tài)下使用的MOSFET，后期有專題介紹此類產品型號。

圖3 器件不同原胞尺寸（cell pitch）電流密度


審核編輯 黃宇