Selección de MOSFET para la gestión de carga y descarga de baterías de drones

Las baterías de iones de litio utilizadas en drones tienen grandes capacidades, a menudo de hasta 6000 mAh, para satisfacer la demanda de tiempos de vuelo prolongados. Dentro de la batería, los MOSFET de potencia suelen estar conectados en serie entre la batería y la carga de salida, con un circuito integrado dedicado que controla la conmutación del MOSFET para gestionar la carga y la descarga. En condiciones normales, el MOSFET de potencia funciona sin problemas. Sin embargo, en situaciones extremas, como la colisión de un dron durante el vuelo, la batería puede sufrir un aumento masivo de la corriente. Cuando el circuito integrado detecta una sobrecorriente, necesita un retardo antes de iniciar la acción protectora. Durante este retardo, el MOSFET funciona en la región lineal debido a la alta corriente, lo que le obliga a soportar simultáneamente una alta corriente y una alta tensión. El diseño y la selección adecuados del MOSFET son fundamentales para evitar daños que, de lo contrario, podrían hacer que el dron se estrellara.

Características de funcionamiento de los MOSFET en la gestión de baterías de drones

Durante las pruebas de alta corriente de un pack de baterías de dron, la forma de onda de funcionamiento del MOSFET interno se muestra en Figura 1. El MOSFET funciona en la región lineal durante el proceso de apagado en condiciones de alta corriente.

Forma de onda de prueba de cortocircuito

Los MOSFET de potencia tienen tres regiones de funcionamiento:

• Región de corte: No fluye corriente.

• Región lineal: El MOSFET funciona con alta tensión y corriente, lo que permite que fluyan grandes corrientes.

• Región totalmente On: El MOSFET es totalmente conductor con una caída de tensión mínima.

Teóricamente, como dispositivos unipolares, los MOSFET de potencia de canal N sólo conducen corriente de electrones cuando están totalmente encendidos, sin corriente de huecos. En la región de encendido total, la tensión drenaje-fuente (VDS) es baja y la capa de agotamiento desaparece por completo. Sin embargo, en la región lineal, el VDS es mayor y la capa de agotamiento persiste. Esto conduce a la generación de pares electrón-hueco en la capa epitaxial (EPI), con huecos que contribuyen al flujo de corriente.

Cuando funciona en la región lineal, se genera una corriente de agujero significativa, que fluye a través de la región del cuerpo del MOSFET hasta el terminal de la fuente (S). Esto puede disparar potencialmente el transistor bipolar parásito, lo que supone un riesgo para el MOSFET. Los retos de operar en la región lineal incluyen:

1. Alto campo eléctrico interno: Aumenta la inyección en el agujero.

2. Reducción de la anchura efectiva del canal: En comparación con la región totalmente encendida.

3. Tensión de umbral inferior (Vth) y tensión de ruptura: Aumenta la susceptibilidad al daño.

4. Concentración de corriente localizada: La baja Vth hace que la corriente se concentre en zonas específicas, formando puntos calientes. El coeficiente de temperatura negativo (NTC) agrava este problema.

En la región lineal, un alto voltaje de polarización reduce la carga efectiva del cuerpo debido a la capa de agotamiento. Los voltajes de funcionamiento más altos intensifican el campo eléctrico interno, aumentando la ionización y generando más pares electrón-hueco, lo que da lugar a mayores corrientes de huecos. Si existen inconsistencias en la fabricación, zonas localizadas pueden alcanzar niveles críticos de campo eléctrico, provocando una ionización más fuerte, corrientes de agujero más altas y un mayor riesgo de activación de transistores bipolares parásitos.

Pruebas experimentales

Para medir las características de la región lineal de los MOSFET de potencia, se diseñó un circuito de prueba utilizando el MOSFET de última generación de AOS: AONS32100con una resistencia de encendido de 0,55mOhm, una tensión nominal de 25V y un encapsulado DFN5x6. El circuito y la forma de onda de prueba se muestran en Figura 3que representa la forma de onda de prueba del área de funcionamiento seguro (SOA) para 10 V/10 ms. El circuito puede adaptarse a condiciones de medición específicas para ajustarse mejor a las aplicaciones prácticas.

Circuito de medición de la región lineal

Forma de onda de prueba de la región lineal

Análisis de fallos

Como se muestra en Figura 4Cuando se enciende el MOSFET, la resistencia a la conexión (RDS) pasa de la región de coeficiente de temperatura negativo (NTC) (en la que RDS disminuye al aumentar la temperatura) a la región de coeficiente de temperatura positivo (PTC) (en la que RDS aumenta con la temperatura). En la región NTC, las células más calientes tienen una menor resistencia a la conexión, lo que hace que la corriente circundante se concentre en estas zonas.

(a) Región del coeficiente de temperatura negativo

(b) Proceso de fallo de región lineal

Región de coeficiente de temperatura negativo y fallo de la región lineal del MOSFET de potencia

A medida que la corriente se concentra más, se forma un bucle de realimentación positiva en la región más caliente: una menor resistencia a la conexión en una sola célula provoca un mayor flujo de corriente, lo que genera más calor, que aumenta aún más la temperatura y reduce la resistencia a la conexión. En la región lineal, esta retroalimentación positiva puede dar lugar a puntos calientes localizados si el MOSFET permanece en esta región durante un periodo prolongado. La corriente se concentra en unas pocas celdas de alta temperatura, haciendo que su temperatura aumente aún más y, en última instancia, provocando la rotura térmica y el fallo del dispositivo.

Métodos de mejora

La optimización de la estructura interna del MOSFET puede mejorar su rendimiento en la región lineal. Uno de los métodos consiste en aumentar la separación entre celdas para evitar que las celdas adyacentes se calienten entre sí y formen puntos calientes localizados. Aunque esto puede aumentar la resistencia a la conexión, otros métodos pueden compensarlo, como:

• Utilizando estructuras específicas como los pilares P de superunión o las placas de campo de zanja profunda.

• Modificación del campo eléctrico y de la distribución de la línea de corriente para reducir la resistencia a la conexión.

El rendimiento mejorado de la región lineal de los MOSFET de potencia optimizados se muestra en Figura 5. Los MOSFET de nueva generación de AOS no sólo presentan un rendimiento superior en la región lineal, sino que también tienen una menor resistencia a la conexión (RDS(ON)), lo que proporciona una solución óptima para batería de dron aplicaciones de gestión.

Rendimiento de la región lineal y comparación de RDS(ON)

Conclusión

En las aplicaciones de gestión de baterías de drones, los MOSFET de potencia funcionan en la región lineal durante los procesos de apagado de alta corriente, soportando elevados esfuerzos de tensión y corriente. Es esencial seleccionar MOSFET con excelentes características de región lineal. Además, el sistema requiere MOSFETs con baja resistencia a la conexión para soportar altas corrientes, minimizar las pérdidas y reducir la generación de calor. Los diseños de MOSFET optimizados, como los de AOS, proporcionan una solución robusta para los modernos batería de dron sistemas de gestión.