线性功率MOSFETS的输出特性和应用设计

电子负载，线性稳压器或A类放大器等应用程序在功率MOSFET的线性区域内运行，这需要高功耗能力和扩展的正向偏置安全工作区（FBSOA）特性。这种工作模式与通常使用功率MOSFET的方式不同，后者在开关模式应用中的作用类似于“开-关开关”。在线性模式下，由于同时发生高漏极电压和电流，导致高功耗，功率MOSFET承受高热应力。当热电应力超过某个临界极限时，硅中会出现热热点，从而导致器件失效[1]。

图1 N沟道功率MOSFET的输出特性

图1显示了N沟道功率MOSFET的典型输出特性，其中描述了不同的工作模式。在截止区域中，栅极源极电压（VGS）小于栅极阈值电压（VGS（th）），并且器件处于开路或关断状态。在欧姆区域，该器件用作电阻，其电阻RDS（on）几乎恒定，且等于Vds / Ids。在线性工作模式下，该器件在“电流饱和”区域工作，该区域的漏极电流（Ids）是栅极-源极电压（Vgs）的函数，并由下式定义：

其中，K是取决于温度和器件几何形状的参数，而gfs是电流增益或跨导。当漏极电压（VDS）增大时，正漏极电势与栅极电压偏置相对，并降低了沟道中的表面电势。沟道反转层电荷随Vds的增加而减少，最终，当漏极电压等于（Vgs – Vgs（th））时，电荷变为零。该点称为“沟道收缩点”，在该点上，漏极电流变为饱和[2]。

FBSOA是数据表的品质因数，它定义了允许的最大工作点。图2显示了N沟道功率MOSFET的典型FBSOA特性。对于不同的脉冲持续时间，它受最大漏极至源极电压VDSS，最大传导电流IDM和恒定功率耗散线的限制。在该图中，这组曲线显示了一条DC线和4条单脉冲操作线，分别为10ms，1ms，100 us和25 us。每条线的顶部被截断以限制最大漏极电流，并由器件的Rds（on）定义的正斜率线界定。每条线的右侧终止于额定漏源电压极限（Vdss）。每条线都有一个负斜率，并由器件Pd的最大允许功耗决定：

其中ZthJC是结到外壳的瞬态端子阻抗，TJ（max）是MOSFET的最大允许结温。

图2 N沟道功率MOSFET的典型FBSOA图

这些理论上恒定的功率曲线是从假设功率MOSFET管芯上的结温基本均匀的计算中得出的。这种假设并不总是正确的，特别是对于大型裸片MOSFET。首先，焊接到功率封装安装片上的MOSFET管芯的边缘的温度通常比管芯的中心温度低，这是横向热流的结果。其次，材料缺陷（管芯附着空隙，导热油脂腔等）可能会导致局部导热系数降低，即局部温度升高。第三，掺杂剂浓度，栅极氧化物厚度和固定电荷的波动将引起MOSFET单元的局部阈值电压和电流增益（gfs）的波动，这也将影响芯片的局部温度。在开关模式下工作时，模具温度变化几乎无害。但是，它们可能会在线性模式操作中触发灾难性故障，其脉冲持续时间要长于从结点到散热器的热传递所需的时间。发现针对开关模式应用进行了优化的现代功率MOSFET在FBSOA图的右下角（图2的电热不稳定性边界右侧的区域）中运行的能力有限。

电热不稳定性（ETI）可以理解为功率MOSFET表面上强制进入线性工作模式的正反馈机制的结果：

结温局部升高
这会导致局部降低Vgs（th）（MOSFET阈值电压的温度系数为负）
这会导致局部电流密度Jds`（Vgs – Vgs（th））2增大
局部电流密度的增加导致局部功耗的增加以及局部温度的进一步升高。

根据功率脉冲的持续时间，传热条件和MOSFET单元设计的特点，ETI可能导致所有MOSFET电流集中到电流灯丝中并形成“热点”。这通常会使指定区域中的MOSFET单元失去栅极控制，并开启寄生BJT，从而损坏器件。