Wybór tranzystorów MOSFET do zarządzania ładowaniem i rozładowywaniem akumulatorów w dronach

Akumulatory litowo-jonowe stosowane w dronach mają dużą pojemność, często do 6000 mAh, aby sprostać zapotrzebowaniu na wydłużony czas lotu. Wewnątrz akumulatora, tranzystory MOSFET mocy są zwykle połączone szeregowo między akumulatorem a obciążeniem wyjściowym, z dedykowanym układem scalonym kontrolującym przełączanie MOSFET w celu zarządzania ładowaniem i rozładowywaniem. W normalnych warunkach, tranzystor MOSFET mocy działa bezproblemowo. Jednak w ekstremalnych scenariuszach - takich jak kolizja drona podczas lotu - bateria może doświadczyć ogromnego skoku prądu. Gdy układ scalony wykryje nadmierny prąd, wymaga opóźnienia przed zainicjowaniem działania ochronnego. Podczas tego opóźnienia, tranzystor MOSFET działa w obszarze liniowym ze względu na wysoki prąd, co wymaga od niego jednoczesnej odporności na wysoki prąd i wysokie napięcie. Prawidłowa konstrukcja i wybór tranzystora MOSFET mają kluczowe znaczenie dla zapobiegania uszkodzeniom, które w przeciwnym razie mogłyby doprowadzić do awarii drona.

Charakterystyka pracy tranzystorów MOSFET w zarządzaniu baterią drona

Podczas testów wysokoprądowych akumulatora drona, przebieg pracy wewnętrznego tranzystora MOSFET pokazano na rysunku Rysunek 1. MOSFET działa w obszarze liniowym podczas procesu wyłączania w warunkach wysokiego natężenia prądu.

Przebieg testu zwarcia

Tranzystory MOSFET mocy mają trzy obszary działania:

  • Region odcięcia: Prąd nie płynie.

  • Region liniowy: MOSFET działa przy wysokim napięciu i prądzie, umożliwiając przepływ dużych prądów.

  • W pełni włączony region: MOSFET jest w pełni przewodzący z minimalnym spadkiem napięcia.

Teoretycznie, jako urządzenia unipolarne, N-kanałowe tranzystory MOSFET przewodzą tylko prąd elektronowy, gdy są w pełni włączone, bez prądu dziurowego. W obszarze pełnego włączenia napięcie dren-źródło (VDS) jest niskie, a warstwa zubożenia całkowicie zanika. Jednak w obszarze liniowym VDS jest wyższe, a warstwa zubożenia utrzymuje się. Prowadzi to do generowania par elektron-dziura w warstwie epitaksjalnej (EPI), przy czym dziury przyczyniają się do przepływu prądu.

Podczas pracy w obszarze liniowym generowany jest znaczny prąd dziury, przepływający przez obszar korpusu tranzystora MOSFET do zacisku źródła (S). Może to potencjalnie wyzwolić pasożytniczy tranzystor bipolarny, stwarzając zagrożenie dla tranzystora MOSFET. Wyzwania związane z działaniem w obszarze liniowym obejmują:

  1. Wysokie wewnętrzne pole elektryczne: Zwiększa wtrysk do otworu.

  2. Zmniejszona efektywna szerokość kanału: W porównaniu do w pełni włączonego regionu.

  3. Niższe napięcie progowe (Vth) i napięcie przebicia: Zwiększa podatność na obrażenia.

  4. Zlokalizowane stężenie prądu: Niskie napięcie Vth powoduje koncentrację prądu w określonych obszarach, tworząc hotspoty. Ujemny współczynnik temperaturowy (NTC) pogarsza ten problem.

W obszarze liniowym, wysokie napięcie polaryzacji zmniejsza efektywny ładunek ciała z powodu warstwy zubożenia. Wyższe napięcia robocze intensyfikują wewnętrzne pole elektryczne, zwiększając jonizację i generując więcej par elektron-dziura, co skutkuje większymi prądami dziur. Jeśli istnieją niespójności produkcyjne, zlokalizowane obszary mogą osiągnąć krytyczny poziom pola elektrycznego, powodując silniejszą jonizację, wyższe prądy dziur i zwiększone ryzyko pasożytniczej aktywacji tranzystora bipolarnego.

Testy eksperymentalne

Aby zmierzyć liniową charakterystykę obszaru tranzystorów MOSFET mocy, zaprojektowano obwód testowy wykorzystujący tranzystor MOSFET najnowszej generacji firmy AOS: AONS32100o rezystancji włączenia 0,55 mOhm, napięciu znamionowym 25 V i obudowie DFN5x6. Obwód i przebieg testowy są pokazane w Rysunek 3przedstawiający przebieg testowy bezpiecznego obszaru działania (SOA) dla 10V/10ms. Obwód można dostosować do konkretnych warunków pomiarowych, aby lepiej dopasować go do praktycznych zastosowań.

Obwód pomiaru obszaru liniowego

Przebieg testowy regionu liniowego

Analiza awarii

Jak pokazano w Rysunek 4Gdy tranzystor MOSFET jest włączony, rezystancja włączenia (RDS) przechodzi z obszaru ujemnego współczynnika temperaturowego (NTC) (gdzie RDS maleje wraz ze wzrostem temperatury) do obszaru dodatniego współczynnika temperaturowego (PTC) (gdzie RDS rośnie wraz z temperaturą). W regionie NTC gorętsze ogniwa mają niższą rezystancję włączenia, co powoduje koncentrację prądu w tych obszarach.

(a) Region ujemnego współczynnika temperaturowego

(b) Liniowy proces awarii regionu

Region ujemnego współczynnika temperaturowego i awaria regionu liniowego tranzystora MOSFET mocy

Gdy prąd koncentruje się dalej, w gorętszym obszarze tworzy się pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego: niższa rezystancja włączenia w pojedynczym ogniwie prowadzi do większego przepływu prądu, generując więcej ciepła, co dodatkowo podnosi temperaturę i obniża rezystancję włączenia. W obszarze liniowym to dodatnie sprzężenie zwrotne może prowadzić do zlokalizowanych hotspotów, jeśli tranzystor MOSFET pozostaje w tym obszarze przez dłuższy czas. Prąd koncentruje się w kilku komórkach o wysokiej temperaturze, powodując dalszy wzrost ich temperatury i ostatecznie prowadząc do awarii termicznej i uszkodzenia urządzenia.

Metody doskonalenia

Optymalizacja wewnętrznej struktury tranzystora MOSFET może poprawić jego wydajność w obszarze liniowym. Jednym z podejść jest zwiększenie odstępów między komórkami, aby zapobiec wzajemnemu nagrzewaniu się sąsiednich komórek i tworzeniu zlokalizowanych hotspotów. Chociaż może to zwiększyć rezystancję włączenia, inne metody mogą to zrekompensować, np:

  • Wykorzystanie specyficznych struktur, takich jak superzłączowe słupki P lub głębokie płyty polowe.

  • Modyfikacja pola elektrycznego i rozkładu linii prądu w celu zmniejszenia rezystancji włączenia.

Poprawiona wydajność liniowa zoptymalizowanych tranzystorów MOSFET mocy jest pokazana na rysunku Rysunek 5. Tranzystory MOSFET nowej generacji firmy AOS nie tylko charakteryzują się doskonałą wydajnością w obszarze liniowym, ale także niższą rezystancją włączenia (RDS(ON)), zapewniając optymalne rozwiązanie dla bateria do drona aplikacje do zarządzania.

Porównanie wydajności regionu liniowego i RDS(ON)

Wnioski

W aplikacjach zarządzania baterią dronów, tranzystory MOSFET mocy działają w obszarze liniowym podczas wysokoprądowych procesów wyłączania, wytrzymując wysokie napięcie i natężenie prądu. Wybór tranzystorów MOSFET o doskonałej charakterystyce liniowej jest niezbędny. Dodatkowo, system wymaga tranzystorów MOSFET o niskiej rezystancji włączenia, aby obsługiwać wysokie prądy, minimalizować straty i zmniejszać wytwarzanie ciepła. Zoptymalizowane konstrukcje MOSFET, takie jak te od AOS, zapewniają solidne rozwiązanie dla nowoczesnych układów MOSFET. bateria do drona systemy zarządzania.