耐用性更高的新型沟槽型功率MOSFET

在线性模式供电的电子系统中，功率 MOSFET器件被广泛用作压控电阻器，电磁干扰 (EMI) 和系统总体成本是功率MOSFET的优势所在。
 
在线性模式工作时，MOSFET必须在恶劣工作条件下工作，承受很高的漏极电流(ID)和漏源电压 (VDS)，然后还需处理很高的功率。这些器件必须满足一些技术要求才能提高耐用性，还必须符合热管理限制，才能避免热失控。
 
意法半导体 (ST) 推出了一款采用先进的 STPOWER STripFET F7制造技术和H2PAK 封装的 100V功率 MOSFET。该器件改进了需要高功率和高压降的正向偏置安全工作区 (FBSOA)操作的耐用性。
 
宽 SOA 安全工作区是 STripFET F7 技术优化的结果。优化内容包括两个方面：首先是调整栅极-源极电压 (VGS)，避免电流聚焦，其次是设置阈压(VGS(th))和跨导(Gfs)，降低热耗散功率。因此，在更广泛的SOA工作条件下，MOSFET保持热性能稳定。
 
新推出的STH200N10WF7-2 功率 MOSFET是为电池隔离和配电安全开关、浪涌电流限制器、电子保险丝、线性驱动电机控制器、负载开关和热插拔应用而量身定制。
 
Rugged Behavior in Linear Mode在线性模式下的耐用性
 
与同级沟槽器件相比，新的宽SOA MOSFET (STH200N10WF7-2)的性能更好，因为在相同的工作条件下，电流处理能力更高，如图 1 和图 2 所示。
 

图 1. 标准沟槽 MOSFET 的 SOA 图

 

图 2. 宽 SOA 沟槽 MOSFET 的 SOA 图

 
虽然 20V标准沟槽 MOSFET 能够耐受脉冲时间10ms 的2.5A 电流，但在相同条件下，新的宽 SOA的 STH200N10WF7-2可以处理 6.5A 电流。
 
性能改进是技术优化的结果。优化的目的是确保电流曲线在高 VDS 时近乎平坦，以及电流限制随时间变化的自我平衡能力，如图 3 和 4所示 [1]。
 

 

图 3. 宽 SOA MOSFET 的测量输出特性
 

 

图 4. 漏极电流随时间变化的稳定性模拟图

 
与标准沟槽 MOSFET 和市场上最好的竞品相比，宽 SOA MOSFET 在更广泛的线性模式工作条件下表现出更优异的热稳定性。
 
作为在设计和优化之间权衡的结果，在栅源电压(VGS) 较低时，STH200N10WF7-2的电流增益较小，可以在线性模式工作时限制电流增加和热失控，但是，在栅源电压(VGS) 较高时，该器件可以提高电流值，在开关条件下降低导通电阻(RDS(on))，如图 5 所示。
 

 

图 5.传导特性模拟
 

因为这个特性，在限制启动过程的线性模式浪涌电流脉冲后，宽 SOA 器件也可以在 PWM(脉冲宽度调制)模式下工作。
 
线性模式性能
 
漏极电流热系数 (TC)是决定功率 MOSFET 线性模式性能的关键参数，定义如下：
 

 

其中ID是漏极电流，T 是器件的温度。
 
该系数代表器件在高温和高压下自我平衡电流控制的能力，这是一个依赖于技术的参数，与 MOSFET 的传导特性及其随温度变化的趋势有关（图 6）。
 

图 6. 功率 MOSFET 的传导特性(在不同温度下)
 

三条传导曲线相交于一个交叉点，这个点被称为零温度系数ZTC：
 
§ 若VGS = VGS(ZTC)，则器件电流和温度保持稳定；

§ 若VGS > VGS(ZTC)，随着器件温度升高，漏极电流逐渐减小，达到热稳定条件；

§ 反之亦然，若VGS < VGS(ZTC)，随着器件温度升高，漏极电流继续增加，这是因为阈值电压较低，其对温度的系数为负。因此，当芯片的局部区域变得比相邻区域更热时，它会传导更多的漏极电流，从而产生更多的热量，如果没有设置适当的限制条件，将导致器件失效(热失控)[1]。
 
下图(图 7)所示是标准 STripFET F7 MOSFET 和新型宽 SOA STH200N10WF7-2之间的热系数比较。
 

 

图 7. 标准器件和新 MOSFET 在不同 VDS 时的热系数

 
当 TC 为零或负值时，随着温度的升高，漏极电流减小，器件工作在热稳定条件下。然而，即使TC为正，该器件也可以正常工作：这取决于整个裸片散去单位面积热量的热处理能力。如果随着时间推移产生的热量可以完全从器件中散掉，那么功率 MOSFET 就可以在安全的条件下工作 [2]。
 
“低 ID 和高 VDS”区域是线性模式器件SOA中最不安全的区域：事实上，低 ID 区域通常是功率 MOSFET 具有最高正热系数的区域，同时增加 VDS，功率和热量会大幅提高 [2]。
 
然后，在热系数曲线固定下来后，器件在高 VDS 电压时可能会变得更加不稳定。热不稳定条件也可以写成：
 

 
 

其中 TC 是热系数，Rth 是热阻。

芯片上的温度在不同 VDS电压时的分布情况如图 8 所示。
 

 

图 8.在 VDS = 10V时的芯片温度（左图）、在VDS = 15V时的芯片温度（中图）和 在VDS = 20V时的芯片温度（右图）

 
在VDS 电压从 10V 提高到 20V后，裸片的温度分布变得不太均匀，并且在非常小的区域有清晰的热集中现象，这个区域的温度比相邻区域上升更快：在这里，栅极-源极阈压 (VGS(th)) 局部降低，再加上漏极电流变大(这会产生更多的热量，导致VGS(th)阈压进一步降低)，可能引起热失控和器件失效。当 VDS 增加时，因为电流集中在一个小区域，器件的有效面积减小，热阻将会变大，器件可以安全处理的功率水平将会降低（图 9）。
 

 

图 9.当VDS较高时热阻变大

 
半导体封装的热阻 (Rth) 是衡量材料将热量从结或裸片传递到周围环境或印刷电路板的能力的量度。热阻越低，裸片散热越快越好。低压功率MOSFET的热阻与几个因素有关：器件特性，例如，封装类型、裸片尺寸厚度。裸片贴装工艺的一些缺陷(空隙)也会明显改变器件的热阻，从而导致裸片上局部温度升高。然后，芯片工艺中的不一致性可能会产生局部热点，最终可能导致器件失效。另一个风险因素是温度升高。事实上，硅材料的热阻是随着温度升高而增加，这会降低离结较远区域的散热性能。芯片封装过程中的不一致性以及高温会引起裸片局部区域的热阻值升高，从而为热失控和器件失效埋下隐患 [3]。
 
试验验证
  
我们采用图 10 所示的测试电路验证了STH200N10WF7-2 MOSFET 的耐用性。
 

 

图10：测试电路
 

测试条件如下：
 
Vcc =  VDS =  40 V

VDZ =  36 V

R =  1kΩ.    
 
第一个测试是施加一个持续时间为 10 ms 的脉冲，同时增加 ID 电流值直到器件失效为止。标准 MOSFET 和宽 SOA 器件在失效前的相关测量波形如图 11 和 12 所示。
 

图 11. 脉冲持续时间固定的标准器件测量波形

 

图 12. 脉冲持续时间固定的宽 SOA 器件的测量波形

 
实验数据证明，宽 SOA MOSFET 的电流处理能力非常出色，能够承受 29.5A 的电流，而标准器件只能处理1.2A的电流。
 
第二个测试是给电路施加20A电流，同时增加脉冲持续时间直到器件失效。两种器件在失效前测量到的波形如图 13 和14 所示。
 

 

图 13. 漏极电流固定的标准器件测量波形
 

 

图 14. 漏极电流固定的宽SOA器件测量波形

 
测试结果证明，宽 SOA MOSFET具有很高的耐用性，能够在恶劣的线性模式条件正常工作20ms，而标准器件只工作800µs就失效了。
 
下图所示(图 15 和 16)是把这些功率处理能力和脉冲持续时间实验测试结果投射到SOA 曲线上。
 

图 15. 功率处理能力试验在 SOA上的投影
 

 

图 16. 脉冲持续时间试验在 SOA上的投影

 
功率水平和脉冲持续时间两项测试都证明，宽 SOA 技术具有更高的耐用性。如图 17 所示，最好的竞品在更低的功率水平和更短的脉冲持续时间下失效了。
 

图 17. 竞品的测量波形

 
实验结果表明，竞品仅能承受 30V电压10.4A 电流10ms。
 
结论
 
新的宽 SOA MOSFET 技术在线性模式下工作性能表现出色，这要归功于产品本身的高耐用性和防止热失控的热稳定性。此外，这款可以在全饱和区 (线性电阻行为) 工作的器件也适用于仅在过渡阶段有线性模式的开关电源应用。STH200N10WF7-2 是设计更安全的电子系统的最佳选择。
 
参考文献
 
[1] A. Consoli, F. Gennaro, A. Testa, G. Consentino, F. Frisina, R. Letor and A. Magrì, “Thermal instability of low voltage power MOSFET’s”, IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 15, no. 3, May 2000.

[2] G. Consentino and G. Bazzano, “Investigations on Electro-Instability of Low Voltage Power MOSFETs: Theoretical Models and Experimental comparison results for different structures”, PET 2004 Conference, Chigaco 2004.

[3] A Raciti, F. Chimento, S. Musumeci, G. Privitera, "A New Thermal Model for Power MOSFET Devices Accounting for the Behavior in Unclamped Inductive Switching", Special Issue on Reliability Issues in Power Electronics (Si and Wide Band Gap Devices, Interconnections, Passives, Analysis and Applications) on Microelectronics Reliability, ELSEVIER Editor 58 (2016) Conf. Rec. 2019 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE '19 ECCE Europe), 3-5 Sept. 2019, Genova, Italy.