Sélection de MOSFET pour la gestion de la charge et de la décharge des batteries de drones

Les batteries lithium-ion utilisées dans les drones ont de grandes capacités, souvent jusqu'à 6000mAh, pour répondre à la demande de temps de vol prolongés. À l'intérieur de la batterie, des MOSFET de puissance sont généralement connectés en série entre la batterie et la charge de sortie, avec un circuit intégré dédié qui contrôle la commutation du MOSFET pour gérer la charge et la décharge. Dans des conditions normales, le MOSFET de puissance fonctionne sans problème. Cependant, dans des scénarios extrêmes, tels qu'une collision avec un drone en cours de vol, la batterie peut subir une augmentation massive du courant. Lorsque le circuit intégré détecte une surintensité, il a besoin d'un délai avant de déclencher une action de protection. Pendant ce délai, le MOSFET fonctionne dans la zone linéaire en raison du courant élevé, ce qui l'oblige à supporter simultanément un courant et une tension élevés. Une conception et une sélection correctes du MOSFET sont essentielles pour éviter les dommages, qui pourraient entraîner l'écrasement du drone.

Caractéristiques de fonctionnement des MOSFET dans la gestion des batteries des drones

Lors d'un test de courant élevé d'une batterie de drone, la forme d'onde de fonctionnement du MOSFET interne est illustrée dans le graphique suivant Figure 1. Le MOSFET fonctionne dans la zone linéaire pendant le processus d'arrêt dans des conditions de courant élevé.

Forme d'onde du test de court-circuit

Les MOSFET de puissance ont trois zones de fonctionnement :

  • Région de coupure: Aucun courant ne circule.

  • Région linéaire: Le MOSFET fonctionne avec une tension et un courant élevés, ce qui permet de faire circuler des courants importants.

  • Entièrement sur la région: Le MOSFET est entièrement conducteur avec une chute de tension minimale.

Théoriquement, en tant que dispositifs unipolaires, les MOSFET de puissance à canal N ne conduisent que le courant d'électrons lorsqu'ils sont entièrement activés, sans courant de trous. Dans la région entièrement activée, la tension drain-source (VDS) est faible et la couche de déplétion disparaît entièrement. Toutefois, dans la région linéaire, la tension drain-source est plus élevée et la couche de déplétion persiste. Cela conduit à la génération de paires électron-trou dans la couche épitaxiale (EPI), les trous contribuant au flux de courant.

Lorsqu'il fonctionne dans la zone linéaire, un courant de trou important est généré, circulant à travers la zone du corps du MOSFET jusqu'à la borne de la source (S). Les défis posés par le fonctionnement dans la région linéaire sont les suivants :

  1. Champ électrique interne élevé: Augmente l'injection du trou.

  2. Réduction de la largeur effective du canal: Par rapport à la région entièrement allumée.

  3. Tension de seuil inférieur (Vth) et tension de rupture: Augmente la sensibilité aux dégâts.

  4. Concentration de courant localisée: Une faible Vth entraîne une concentration du courant dans des zones spécifiques, formant des points chauds. Le coefficient de température négatif (NTC) exacerbe ce problème.

Dans la région linéaire, la polarisation à haute tension réduit la charge effective du corps en raison de la couche de déplétion. Des tensions de fonctionnement plus élevées intensifient le champ électrique interne, renforcent l'ionisation et génèrent davantage de paires électron-trou, ce qui se traduit par des courants de trou plus importants.

Essais expérimentaux

Pour mesurer les caractéristiques de la zone linéaire des MOSFET de puissance, un circuit d'essai a été conçu en utilisant le MOSFET de dernière génération d'AOS : AONS32100avec une résistance à l'enclenchement de 0,55mOhm, une tension nominale de 25V et un boîtier DFN5x6. Le circuit et la forme d'onde du test sont présentés dans le document Figure 3La figure 1 montre la forme d'onde du test de la zone de fonctionnement sûre (SOA) pour 10V/10ms. Le circuit peut être adapté à des conditions de mesure spécifiques pour mieux correspondre aux applications pratiques.

Circuit de mesure de la région linéaire

Forme d'onde du test de la région linéaire

Analyse des défaillances

Comme indiqué dans Figure 4Lorsque le MOSFET est mis sous tension, la résistance à l'enclenchement (RDS) passe de la région du coefficient de température négatif (NTC) (où RDS diminue avec l'augmentation de la température) à la région du coefficient de température positif (PTC) (où RDS augmente avec la température). Dans la région NTC, les cellules les plus chaudes ont une résistance à l'enclenchement plus faible, ce qui fait que le courant environnant se concentre dans ces zones.

(a) Région à coefficient de température négatif

(b) Processus de rupture de la région linéaire

Défaillance de la région du coefficient de température négatif et de la région linéaire d'un MOSFET de puissance

À mesure que le courant se concentre, une boucle de rétroaction positive se forme dans la région la plus chaude : une résistance à l'enclenchement plus faible dans une seule cellule entraîne un flux de courant plus important, générant plus de chaleur, ce qui augmente encore la température et abaisse la résistance à l'enclenchement. Dans la zone linéaire, cette rétroaction positive peut conduire à des points chauds localisés si le MOSFET reste dans cette zone pendant une période prolongée. Le courant se concentre dans quelques cellules à haute température, ce qui entraîne une augmentation de leur température et, en fin de compte, une rupture thermique et une défaillance du dispositif.

Méthodes d'amélioration

L'optimisation de la structure interne du MOSFET peut améliorer ses performances dans la zone linéaire. Une approche consiste à augmenter l'espacement entre les cellules afin d'empêcher les cellules adjacentes de se chauffer mutuellement et de former des points chauds localisés. Bien que cela puisse augmenter la résistance à l'enclenchement, d'autres méthodes peuvent compenser cette augmentation :

  • Utiliser des structures spécifiques telles que des piliers P à superjonction ou des plaques de champ à tranchée profonde.

  • Modifier la distribution du champ électrique et de la ligne de courant pour réduire la résistance à l'enclenchement.

L'amélioration des performances dans la zone linéaire des MOSFET de puissance optimisés est illustrée dans le tableau suivant Figure 5. Les MOSFET de nouvelle génération d'AOS présentent non seulement des performances supérieures dans la zone linéaire, mais aussi une résistance à l'enclenchement plus faible (RDS(ON)), ce qui constitue une solution optimale pour les applications de la technologie de l'information. batterie de drone les applications de gestion.

Comparaison des performances de la région linéaire et du RDS(ON)

Conclusion

Dans les applications de gestion des batteries de drones, les MOSFET de puissance fonctionnent dans la zone linéaire pendant les processus d'arrêt à courant élevé, supportant des tensions et des courants élevés. Il est essentiel de sélectionner des MOSFET présentant d'excellentes caractéristiques dans la zone linéaire. En outre, le système nécessite des MOSFET à faible résistance à l'enclenchement pour supporter des courants élevés, minimiser les pertes et réduire la production de chaleur. Les conceptions optimisées de MOSFET, telles que celles d'AOS, fournissent une solution robuste pour les systèmes modernes de gestion de l'énergie. batterie de drone les systèmes de gestion.