Selezione dei MOSFET per la gestione della carica-scarica delle batterie dei droni

Le batterie agli ioni di litio utilizzate nei droni hanno grandi capacità, spesso fino a 6000 mAh, per soddisfare la richiesta di tempi di volo prolungati. All'interno del pacco batteria, i MOSFET di potenza sono in genere collegati in serie tra la batteria e il carico di uscita, con un circuito integrato dedicato che controlla la commutazione del MOSFET per gestire la carica e la scarica. In condizioni normali, il MOSFET di potenza funziona senza problemi. Tuttavia, in scenari estremi, come una collisione con un drone durante il volo, la batteria può subire un'impennata di corrente. Quando il circuito integrato rileva una sovracorrente, richiede un ritardo prima di avviare un'azione protettiva. Durante questo ritardo, il MOSFET opera nella regione lineare a causa dell'elevata corrente e deve resistere contemporaneamente a corrente e tensione elevate. La progettazione e la scelta di un MOSFET adeguato sono fondamentali per evitare danni, che altrimenti potrebbero causare lo schianto del drone.

Caratteristiche operative dei MOSFET nella gestione delle batterie dei droni

Durante il test ad alta corrente di un pacco batteria per droni, la forma d'onda di funzionamento del MOSFET interno è mostrata in Figura 1. Il MOSFET funziona nella regione lineare durante il processo di spegnimento in condizioni di corrente elevata.

Forma d'onda del test di cortocircuito

I MOSFET di potenza hanno tre regioni di funzionamento:

• Regione di taglio: Non scorre corrente.

• Regione lineare: Il MOSFET funziona ad alta tensione e corrente, consentendo il passaggio di grandi correnti.

• Completamente sulla regione: Il MOSFET è completamente conduttivo con una caduta di tensione minima.

In teoria, come dispositivi unipolari, i MOSFET di potenza a canale N conducono solo corrente di elettroni quando sono completamente accesi, senza corrente di buche. Nella regione completamente accesa, la tensione drain-source (VDS) è bassa e lo strato di deplezione scompare completamente. Tuttavia, nella regione lineare, la VDS è più alta e lo strato di deplezione persiste. Questo porta alla generazione di coppie elettrone-buco nello strato epitassiale (EPI), con i fori che contribuiscono al flusso di corrente.

Quando si opera nella regione lineare, si genera una significativa corrente di buco che scorre attraverso la regione del corpo del MOSFET fino al terminale di sorgente (S). Questo può potenzialmente innescare il transistor bipolare parassita, mettendo a rischio il MOSFET. Le sfide del funzionamento nella regione lineare includono:

1. Elevato campo elettrico interno: Aumenta l'iniezione del foro.

2. Riduzione della larghezza effettiva del canale: Rispetto alla regione completamente accesa.

3. Tensione di soglia inferiore (Vth) e tensione di breakdown: Aumenta la suscettibilità ai danni.

4. Concentrazione di corrente localizzata: La bassa Vth fa sì che la corrente si concentri in aree specifiche, formando punti caldi. Il coefficiente di temperatura negativo (NTC) aggrava questo problema.

Nella regione lineare, un'elevata tensione di polarizzazione riduce la carica effettiva del corpo a causa dello strato di deplezione. Le tensioni di esercizio più elevate intensificano il campo elettrico interno, aumentando la ionizzazione e generando un maggior numero di coppie elettrone-buco, con conseguenti correnti di buco più elevate. In caso di incongruenze di produzione, aree localizzate possono raggiungere livelli critici di campo elettrico, causando una ionizzazione più forte, correnti di buco più elevate e un maggiore rischio di attivazione di transistor bipolari parassiti.

Test sperimentali

Per misurare le caratteristiche della regione lineare dei MOSFET di potenza, è stato progettato un circuito di prova utilizzando un MOSFET di ultima generazione di AOS: AONS32100con una resistenza di accensione di 0,55mOhm, una tensione nominale di 25V e un contenitore DFN5x6. Il circuito e la forma d'onda di prova sono mostrati in Figura 3che rappresenta la forma d'onda del test dell'area operativa sicura (SOA) per 10V/10ms. Il circuito può essere adattato a condizioni di misura specifiche per meglio adattarsi alle applicazioni pratiche.

Circuito di misura della regione lineare

Forma d'onda di test della regione lineare

Analisi dei guasti

Come mostrato in Figura 4Quando il MOSFET viene acceso, la resistenza di accensione (RDS) passa dalla regione a coefficiente di temperatura negativo (NTC) (dove RDS diminuisce con l'aumento della temperatura) alla regione a coefficiente di temperatura positivo (PTC) (dove RDS aumenta con la temperatura). Nella regione NTC, le celle più calde hanno una resistenza di accensione più bassa e la corrente circostante si concentra in queste aree.

(a) Regione con coefficiente di temperatura negativo

(b) Processo di rottura della regione lineare

Regione a coefficiente di temperatura negativo e guasto della regione lineare dei MOSFET di potenza

Quando la corrente si concentra ulteriormente, si forma un circuito di feedback positivo nella regione più calda: una minore resistenza di accensione in una singola cella porta a un maggiore flusso di corrente, generando più calore, che aumenta ulteriormente la temperatura e abbassa la resistenza di accensione. Nella regione lineare, questo feedback positivo può portare a punti caldi localizzati se il MOSFET rimane in questa regione per un periodo prolungato. La corrente si concentra in poche celle ad alta temperatura, causando un ulteriore aumento della loro temperatura e, in ultima analisi, portando al crollo termico e al guasto del dispositivo.

Metodi di miglioramento

L'ottimizzazione della struttura interna del MOSFET può migliorare le prestazioni della regione lineare. Un approccio consiste nell'aumentare la distanza tra le celle per evitare che le celle adiacenti si riscaldino a vicenda e formino punti caldi localizzati. Sebbene questo possa aumentare la resistenza di accensione, altri metodi possono compensare, ad esempio:

• Utilizzando strutture specifiche come i pilastri P a supergiunzione o le piastre di campo a trincea profonda.

• Modifica della distribuzione del campo elettrico e della linea di corrente per ridurre la resistenza di accensione.

Il miglioramento delle prestazioni della regione lineare dei MOSFET di potenza ottimizzati è mostrato in Figura 5. I MOSFET di nuova generazione di AOS non solo presentano prestazioni superiori nella regione lineare, ma hanno anche una resistenza di accensione più bassa (RDS(ON)), fornendo una soluzione ottimale per la gestione del traffico. batteria del drone applicazioni di gestione.

Confronto tra le prestazioni della regione lineare e l'RDS(ON)

Conclusione

Nelle applicazioni di gestione delle batterie dei droni, i MOSFET di potenza operano nella regione lineare durante i processi di spegnimento ad alta corrente, sopportando un elevato stress di tensione e corrente. La scelta di MOSFET con eccellenti caratteristiche della regione lineare è essenziale. Inoltre, il sistema richiede MOSFET con bassa resistenza di accensione per supportare correnti elevate, minimizzare le perdite e ridurre la generazione di calore. I progetti di MOSFET ottimizzati, come quelli di AOS, offrono una soluzione robusta per i moderni sistemi di controllo della corrente. batteria del drone sistemi di gestione.