MOSFET-selectie voor laad-ontlaadmanagement van dronebatterijen

Lithium-ion batterijen die worden gebruikt in drones hebben een grote capaciteit, vaak tot 6000 mAh, om te voldoen aan de vraag naar langere vliegtijden. Binnenin de accu zijn power MOSFET's meestal in serie geschakeld tussen de accu en de uitgangsbelasting, waarbij een speciaal IC het schakelen van de MOSFET regelt om het laden en ontladen te beheren. Onder normale omstandigheden werkt de power MOSFET zonder problemen. In extreme scenario's, zoals een botsing van een drone tijdens de vlucht, kan de batterij echter een enorme stroomstoot ervaren. Wanneer de IC een overstroom detecteert, is er een vertraging nodig voordat er beschermende actie wordt ondernomen. Tijdens deze vertraging werkt de MOSFET in het lineaire gebied vanwege de hoge stroom, waardoor deze tegelijkertijd bestand moet zijn tegen zowel hoge stroom als hoge spanning. Een goed MOSFET-ontwerp en -selectie zijn van cruciaal belang om schade te voorkomen, die er anders toe zou kunnen leiden dat de drone neerstort.

Werkingskarakteristieken van MOSFET's in batterijbeheer voor drone

Tijdens het testen van een batterijpakket voor drone met hoge stroomsterkte wordt de werkingsgolfvorm van de interne MOSFET weergegeven in Figuur 1. De MOSFET werkt in het lineaire gebied tijdens het uitschakelproces onder omstandigheden met hoge stromen.

Golfvorm kortsluittest

Power MOSFET's hebben drie werkingsgebieden:

  • Afgesneden regio: Er loopt geen stroom.

  • Lineair gebied: De MOSFET werkt met een hoge spanning en stroom, waardoor grote stromen kunnen vloeien.

  • Volledig op regio: De MOSFET is volledig geleidend met een minimale spanningsval.

Als unipolaire apparaten geleiden N-kanaals power-MOSFET's theoretisch alleen elektronenstroom wanneer ze volledig ingeschakeld zijn, zonder gatenstroom. In het volledig ingeschakelde gebied is de drain-bronspanning (VDS) laag en verdwijnt de verarmingslaag volledig. In het lineaire gebied is VDS echter hoger en blijft de verarmingslaag bestaan. Dit leidt tot het ontstaan van elektron-gatparen in de epitaxiale laag (EPI), waarbij gaten bijdragen aan de stroom.

Wanneer de MOSFET in het lineaire gebied werkt, wordt er een aanzienlijke gatstroom gegenereerd die door het lichaam van de MOSFET naar de bron (S) stroomt. Dit kan mogelijk de parasitaire bipolaire transistor activeren, wat een risico vormt voor de MOSFET. De uitdagingen van het werken in het lineaire gebied zijn onder andere:

  1. Hoog intern elektrisch veld: Verhoogt de injectie van gaten.

  2. Verminderde effectieve kanaalbreedte: Vergeleken met de volledige regio.

  3. Onderste drempelvoltage (Vth) en onderbrekingsvoltage: Verhoogt de gevoeligheid voor schade.

  4. Gelokaliseerde stroomconcentratie: Lage Vth zorgt ervoor dat stroom zich concentreert in specifieke gebieden, waardoor hotspots ontstaan. De negatieve temperatuurcoëfficiënt (NTC) verergert dit probleem.

In het lineaire gebied vermindert een hoge spanningsvoorspanning de effectieve lichaamslading door de verarmingslaag. Hogere bedrijfsspanningen intensiveren het interne elektrische veld, versterken de ionisatie en genereren meer elektron-gatparen, wat resulteert in grotere gatstromen. Als de fabricage inconsistent is, kunnen gelokaliseerde gebieden kritieke elektrische veldniveaus bereiken, wat leidt tot sterkere ionisatie, hogere gatstromen en een verhoogd risico op activering van parasitaire bipolaire transistoren.

Experimenteel testen

Om de lineaire regiokenmerken van vermogens-MOSFET's te meten, werd een testcircuit ontworpen met de nieuwste generatie MOSFET's van AOS: AONS32100met een inschakelweerstand van 0,55mOhm, een spanningswaarde van 25V en een DFN5x6 behuizing. Het circuit en de testgolfvorm worden getoond in Figuur 3De schakeling toont het SOA-testgolfcomplex (Safe Operating Area) voor 10 V/10 ms. Het circuit kan worden aangepast aan specifieke meetomstandigheden om beter aan te sluiten bij praktische toepassingen.

Lineair meetcircuit

Lineaire testgolfvorm

Foutenanalyse

Zoals weergegeven in Figuur 4Wanneer de MOSFET wordt ingeschakeld, gaat de aan-weerstand (RDS) over van het negatieve temperatuurcoëfficiëntgebied (NTC) (waar RDS afneemt bij stijgende temperatuur) naar het positieve temperatuurcoëfficiëntgebied (PTC) (waar RDS toeneemt bij stijgende temperatuur). In het NTC-gebied hebben warmere cellen een lagere aan-weerstand, waardoor de omringende stroom zich in deze gebieden concentreert.

(a) Gebied met negatieve temperatuurcoëfficiënt

(b) Lineair faalproces in de regio

Falen van negatieve temperatuurcoëfficiëntregio en lineaire regio van vermogens-MOSFET

Als de stroom zich verder concentreert, vormt zich een positieve terugkoppelingslus in het hetere gebied: een lagere aan-weerstand in een enkele cel leidt tot meer stroom, die meer warmte genereert, waardoor de temperatuur verder stijgt en de aan-weerstand daalt. In het lineaire gebied kan deze positieve terugkoppeling leiden tot gelokaliseerde hotspots als de MOSFET langere tijd in dit gebied blijft. De stroom concentreert zich in een paar cellen met een hoge temperatuur, waardoor hun temperatuur verder stijgt en dit uiteindelijk leidt tot thermische defecten en defecten aan het apparaat.

Verbeteringsmethoden

Het optimaliseren van de interne structuur van de MOSFET kan de prestaties in het lineaire gebied verbeteren. Eén benadering is het vergroten van de afstand tussen de cellen om te voorkomen dat aangrenzende cellen elkaar opwarmen en plaatselijke hotspots vormen. Hoewel dit de aan-weerstand kan verhogen, kunnen andere methoden dit compenseren, zoals:

  • Met behulp van specifieke structuren zoals superjunction P-pillars of diepe sleufveldplaten.

  • Het elektrische veld en de stroomlijndistributie wijzigen om de inschakelweerstand te verminderen.

De verbeterde prestaties in het lineaire gebied van geoptimaliseerde power MOSFET's worden getoond in Figuur 5. De MOSFET's van de volgende generatie van AOS vertonen niet alleen superieure prestaties in het lineaire gebied, maar hebben ook een lagere aan-weerstand (RDS(ON)), wat een optimale oplossing biedt voor drone batterij beheertoepassingen.

Vergelijking van lineaire prestaties en RDS(ON)

Conclusie

In toepassingen voor batterijbeheer voor drones werken power MOSFET's in het lineaire gebied tijdens uitschakelprocessen met hoge stroom, waarbij ze hoge spannings- en stroomstress doorstaan. Het selecteren van MOSFET's met uitstekende lineaire regiokenmerken is essentieel. Bovendien vereist het systeem MOSFET's met een lage aan-weerstand om hoge stromen te ondersteunen, verliezen te minimaliseren en warmteontwikkeling te beperken. Geoptimaliseerde MOSFET-ontwerpen, zoals die van AOS, bieden een robuuste oplossing voor moderne drone batterij beheersystemen.