Выбор MOSFET для управления зарядом-разрядом батареи беспилотника

Литий-ионные аккумуляторы, используемые в дронах, имеют большую емкость, часто до 6000 мАч, чтобы удовлетворить потребность в длительных полетах. Внутри батарейного блока силовые МОП-транзисторы обычно подключаются последовательно между батареей и выходной нагрузкой, а специальная микросхема управляет переключением МОП-транзисторов для управления зарядкой и разрядкой. В нормальных условиях силовой МОП-транзистор работает без проблем. Однако в экстремальных ситуациях - например, при столкновении дрона во время полета - батарея может испытать мощный всплеск тока. Когда микросхема обнаруживает перегрузку по току, ей требуется задержка перед началом защитных действий. Во время этой задержки МОП-транзистор работает в линейной области из-за высокого тока, что требует от него одновременного выдерживания высокого тока и высокого напряжения. Правильная конструкция и выбор MOSFET очень важны для предотвращения повреждений, которые в противном случае могут привести к падению беспилотника.

Рабочие характеристики МОП-транзисторов в системе управления батареями беспилотников

Во время испытаний аккумуляторного блока беспилотника на высокий ток форма волны работы внутреннего МОП-транзистора показана на рисунке Рисунок 1. MOSFET работает в линейной области во время процесса выключения в условиях высокого тока.

Форма волны при испытании на короткое замыкание

Силовые МОП-транзисторы имеют три рабочих области:

  • Регион отсечения: Ток не течет.

  • Линейная область: MOSFET работает при высоком напряжении и токе, позволяя протекать большим токам.

  • Полностью на территории региона: MOSFET обладает полной проводимостью и минимальным падением напряжения.

Теоретически, будучи униполярными приборами, N-канальные силовые МОП-транзисторы проводят только электронный ток в полностью включенном состоянии, без дырочного тока. В полностью включенной области напряжение сток-исток (VDS) мало, и обедненный слой полностью исчезает. Однако в линейной области VDS выше, и обедненный слой сохраняется. Это приводит к генерации электронно-дырочных пар в эпитаксиальном слое (EPI), причем дырки вносят свой вклад в протекание тока.

При работе в линейной области генерируется значительный дырочный ток, протекающий через область корпуса МОП-транзистора к выводу истока (S). Это может привести к срабатыванию паразитного биполярного транзистора, что представляет опасность для МОП-транзистора. Проблемы работы в линейной области включают в себя:

  1. Высокое внутреннее электрическое поле: Увеличивает впрыск в отверстие.

  2. Уменьшение эффективной ширины канала: По сравнению с полностью включенным регионом.

  3. Нижнее пороговое напряжение (Vth) и напряжение пробоя: Повышает восприимчивость к урону.

  4. Локализованная концентрация тока: Низкое Vth приводит к концентрации тока в определенных областях, образуя горячие точки. Отрицательный температурный коэффициент (NTC) усугубляет эту проблему.

В линейной области высокое напряжение смещения уменьшает эффективный заряд тела из-за наличия обедненного слоя. Более высокие рабочие напряжения усиливают внутреннее электрическое поле, усиливая ионизацию и генерируя больше электронно-дырочных пар, что приводит к увеличению дырочных токов. При наличии производственных несоответствий локальные участки могут достигать критического уровня электрического поля, что приводит к усилению ионизации, увеличению дырочных токов и повышению риска паразитной активации биполярного транзистора.

Экспериментальное тестирование

Для измерения характеристик линейного участка силовых МОП-транзисторов была разработана тестовая схема с использованием МОП-транзистора последнего поколения от компании AOS: AONS32100с сопротивлением включения 0,55 мОм, номинальным напряжением 25 В и корпусом DFN5x6. Схема и форма тестового сигнала показаны на рисунке Рисунок 3Изображение формы волны теста безопасной рабочей зоны (SOA) для 10 В/10 мс. Схема может быть адаптирована к конкретным условиям измерений, чтобы лучше соответствовать практическим приложениям.

Схема измерения линейного участка

Тестовая форма волны линейной области

Анализ отказов

Как показано в Рисунок 4Когда MOSFET включен, сопротивление включения (RDS) переходит из области отрицательного температурного коэффициента (NTC) (где RDS уменьшается с ростом температуры) в область положительного температурного коэффициента (PTC) (где RDS увеличивается с ростом температуры). В области NTC более горячие элементы имеют меньшее сопротивление включения, в результате чего окружающий ток концентрируется в этих областях.

(a) Область отрицательного температурного коэффициента

(b) Процесс разрушения линейной области

Область отрицательного температурного коэффициента и отказ линейной области силового МОП-транзистора

По мере дальнейшей концентрации тока в более горячей области формируется петля положительной обратной связи: более низкое сопротивление включения в отдельной ячейке приводит к протеканию большего тока, выделяющего больше тепла, что еще больше повышает температуру и снижает сопротивление включения. В линейной области эта положительная обратная связь может привести к появлению локальных горячих точек, если МОП-транзистор остается в этой области в течение длительного времени. Ток концентрируется в нескольких высокотемпературных ячейках, вызывая дальнейшее повышение их температуры и в конечном итоге приводя к тепловому пробою и выходу устройства из строя.

Методы совершенствования

Оптимизация внутренней структуры МОП-транзистора может повысить его производительность в линейной области. Один из подходов заключается в увеличении расстояния между ячейками, чтобы предотвратить нагрев соседних ячеек и образование локальных горячих точек. Хотя это может увеличить сопротивление включения, другие методы могут компенсировать это, например:

  • Использование специальных структур, таких как P-столбы с суперпереходом или полевые пластины с глубокими траншеями.

  • Изменение распределения электрического поля и линии тока для уменьшения сопротивления включения.

Улучшенные характеристики линейного участка оптимизированных силовых МОП-транзисторов показаны на рисунке Рисунок 5. МОП-транзисторы нового поколения AOS не только демонстрируют превосходные характеристики в линейной области, но и обладают более низким сопротивлением включения (RDS(ON)), обеспечивая оптимальное решение для аккумулятор дрона приложения для управления.

Сравнение производительности линейной области и RDS(ON)

Заключение

В приложениях для управления беспилотными батареями силовые МОП-транзисторы работают в линейной области во время процессов выключения при больших токах, выдерживая высокое напряжение и ток. Выбор МОП-транзисторов с отличными характеристиками линейной области имеет большое значение. Кроме того, системе требуются МОП-транзисторы с низким сопротивлением включения для поддержки высоких токов, минимизации потерь и снижения тепловыделения. Оптимизированные конструкции МОП-транзисторов, например, от AOS, обеспечивают надежное решение для современных систем. аккумулятор дрона системы управления.