MOSFET-Auswahl für das Lade-Entlade-Management von Drohnenbatterien

Lithium-Ionen-Akkus, die in Drohnen verwendet werden, haben große Kapazitäten, oft bis zu 6000 mAh, um den Bedarf an längeren Flugzeiten zu decken. Im Inneren des Akkus sind Leistungs-MOSFETs in der Regel in Reihe zwischen dem Akku und der Ausgangslast geschaltet, wobei ein spezieller IC das Schalten des MOSFETs steuert, um das Laden und Entladen zu verwalten. Unter normalen Bedingungen arbeitet der Leistungs-MOSFET ohne Probleme. In extremen Szenarien - z. B. bei einem Zusammenstoß mit einer Drohne während des Flugs - kann der Akku jedoch einen massiven Stromstoß erfahren. Wenn der IC einen Überstrom feststellt, benötigt er eine Verzögerung, bevor er Schutzmaßnahmen einleitet. Während dieser Verzögerung arbeitet der MOSFET aufgrund des hohen Stroms im linearen Bereich, sodass er gleichzeitig einem hohen Strom und einer hohen Spannung standhalten muss. Die richtige Auslegung und Auswahl des MOSFET ist entscheidend, um Schäden zu vermeiden, die sonst zum Absturz der Drohne führen könnten.

Betriebseigenschaften von MOSFETs im Batteriemanagement von Drohnen

Während des Hochstromtests einer Drohnenbatterie wird die Betriebswellenform des internen MOSFETs in Abbildung 1. Der MOSFET arbeitet während des Abschaltvorgangs unter Hochstrombedingungen im linearen Bereich.

Kurzschlusstest Wellenform

Leistungs-MOSFETs haben drei Betriebsbereiche:

  • Cutoff Region: Es fließt kein Strom.

  • Lineare Region: Der MOSFET arbeitet mit hoher Spannung und Stromstärke, so dass große Ströme fließen können.

  • Vollständig auf Region: Der MOSFET ist voll leitfähig mit minimalem Spannungsabfall.

Theoretisch leiten N-Kanal-Leistungs-MOSFETs als unipolare Bauelemente nur Elektronenstrom, wenn sie vollständig eingeschaltet sind, und keinen Lochstrom. Im voll eingeschalteten Bereich ist die Drain-Source-Spannung (VDS) niedrig, und die Verarmungsschicht verschwindet vollständig. Im linearen Bereich ist die VDS jedoch höher, und die Verarmungsschicht bleibt bestehen. Dies führt zur Bildung von Elektronen-Loch-Paaren in der Epitaxieschicht (EPI), wobei die Löcher zum Stromfluss beitragen.

Beim Betrieb im linearen Bereich wird ein erheblicher Lochstrom erzeugt, der durch den Body-Bereich des MOSFET zum Source-Anschluss (S) fließt. Dies kann möglicherweise den parasitären bipolaren Transistor auslösen, was eine Gefahr für den MOSFET darstellt. Zu den Herausforderungen beim Betrieb im linearen Bereich gehören:

  1. Hohes internes elektrisches Feld: Erhöht die Lochinjektion.

  2. Reduzierte effektive Kanalbreite: Verglichen mit der Region, in der wir uns vollständig befinden.

  3. Untere Schwellwertspannung (Vth) und Durchbruchspannung: Erhöht die Anfälligkeit für Schäden.

  4. Örtliche Stromkonzentration: Bei niedriger Vth konzentriert sich der Strom in bestimmten Bereichen und bildet Hotspots. Der negative Temperaturkoeffizient (NTC) verschärft dieses Problem noch.

Im linearen Bereich verringert eine hohe Vorspannung die effektive Körperladung aufgrund der Verarmungsschicht. Höhere Betriebsspannungen verstärken das interne elektrische Feld, wodurch die Ionisierung verstärkt und mehr Elektron-Loch-Paare erzeugt werden, was zu größeren Lochströmen führt. Bei Unstimmigkeiten in der Fertigung können lokal begrenzte Bereiche kritische elektrische Feldstärken erreichen, was zu einer stärkeren Ionisierung, höheren Lochströmen und einem erhöhten Risiko der Aktivierung parasitärer bipolarer Transistoren führt.

Experimentelle Prüfung

Zur Messung der linearen Bereichseigenschaften von Leistungs-MOSFETs wurde eine Testschaltung mit einem MOSFET der neuesten Generation von AOS entwickelt: AONS32100mit einem Einschaltwiderstand von 0,55mOhm, einer Nennspannung von 25V und einem DFN5x6-Gehäuse. Die Schaltung und die Testwellenform sind dargestellt in Abbildung 3Die Abbildung zeigt die SOA-Testwellenform (Safe Operating Area) für 10V/10ms. Die Schaltung kann auf spezifische Messbedingungen zugeschnitten werden, um sie besser auf praktische Anwendungen abzustimmen.

Messschaltung für den linearen Bereich

Linearer Bereich Testwellenform

Fehleranalyse

Wie in Abbildung 4Wenn der MOSFET eingeschaltet wird, wechselt der Durchlasswiderstand (RDS) vom Bereich mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) (wo RDS mit steigender Temperatur abnimmt) in den Bereich mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) (wo RDS mit der Temperatur zunimmt). Im NTC-Bereich haben heißere Zellen einen geringeren Durchlasswiderstand, so dass sich der Umgebungsstrom in diesen Bereichen konzentriert.

(a) Region mit negativem Temperaturkoeffizienten

(b) Linearer Prozess des Gebietsversagens

Negativer Temperaturkoeffizient und Versagen des linearen Bereichs eines Leistungs-MOSFET

Wenn sich der Strom weiter konzentriert, bildet sich in der heißeren Region eine positive Rückkopplungsschleife: Ein geringerer Durchlasswiderstand in einer einzelnen Zelle führt zu mehr Stromfluss, wodurch mehr Wärme erzeugt wird, was die Temperatur weiter erhöht und den Durchlasswiderstand senkt. Im linearen Bereich kann diese positive Rückkopplung zu lokalen Hotspots führen, wenn der MOSFET über einen längeren Zeitraum in diesem Bereich bleibt. Der Strom konzentriert sich in einigen wenigen Hochtemperaturzellen, wodurch deren Temperatur weiter ansteigt und schließlich zu einem thermischen Zusammenbruch und einem Ausfall des Geräts führt.

Methoden zur Verbesserung

Die Optimierung der internen Struktur des MOSFET kann die Leistung des linearen Bereichs verbessern. Ein Ansatz ist die Vergrößerung des Abstands zwischen den Zellen, um zu verhindern, dass sich benachbarte Zellen gegenseitig aufheizen und örtliche Hotspots bilden. Dies kann zwar den Durchlasswiderstand erhöhen, aber andere Methoden können dies kompensieren, wie z. B.:

  • Verwendung spezifischer Strukturen wie P-Säulen mit Superübergang oder Deep Trench Field Plates.

  • Änderung der Verteilung des elektrischen Feldes und der Stromleitung zur Verringerung des Durchlasswiderstandes.

Die verbesserte Leistung der optimierten Leistungs-MOSFETs im linearen Bereich ist in Abbildung 5. Die MOSFETs der nächsten Generation von AOS weisen nicht nur eine überragende Leistung im linearen Bereich auf, sondern haben auch einen geringeren On-Widerstand (RDS(ON)), was eine optimale Lösung für Drohnen-Batterie Management-Anwendungen.

Vergleich der Leistung im linearen Bereich und RDS(ON)

Schlussfolgerung

In Anwendungen für das Batteriemanagement von Drohnen arbeiten Leistungs-MOSFETs während der Abschaltvorgänge mit hohen Strömen im linearen Bereich und sind dabei hohen Spannungs- und Strombelastungen ausgesetzt. Die Auswahl von MOSFETs mit ausgezeichneten Eigenschaften im linearen Bereich ist von entscheidender Bedeutung. Darüber hinaus benötigt das System MOSFETs mit niedrigem On-Widerstand, um hohe Ströme zu unterstützen, Verluste zu minimieren und die Wärmeentwicklung zu reduzieren. Optimierte MOSFET-Designs, wie die von AOS, bieten eine robuste Lösung für moderne Drohnen-Batterie Verwaltungssysteme.