線性MOSFET則是線性模式應(yīng)用的最合適選擇，能夠確保可靠運(yùn)作。然而，用于線性模式應(yīng)用時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)MOSFET容易產(chǎn)生電熱不穩(wěn)定性(electro-thermal instability, ETI)，可能導(dǎo)致器件損壞。A類(lèi)音頻放大器、有源DC-link放電、電池充放電、浪涌電流限制器、低壓DC電機(jī)控制或電子負(fù)載等線性模式應(yīng)用要求功率 MOSFET 器件在電流飽和區(qū)域內(nèi)工作。
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作者：Littelfuse產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)總監(jiān)José Padilla、高級(jí)首席研發(fā)人員Vladimir Tsukanov和產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師Aalok Bhatt
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了解線性模式運(yùn)作以及為什么需要它
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在功率 MOSFET 的線性工作模式，高電壓和高電流同時(shí)出現(xiàn)，因此通常MOSFET的功率消耗水平高于較常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)模式應(yīng)用[1]。
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圖 1顯示歐姆區(qū)域、非線性區(qū)域以及飽和(或有源)區(qū)域，這三個(gè)不同的區(qū)域代表了功率MOSFET的輸出特性。
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有源區(qū)域：MOSFET 溝道由于多數(shù)電荷載流子而飽和。在該區(qū)域中，ID獨(dú)立于VDS。ID僅由VGS控制，并且對(duì)于任何給定VDS保持恒定。換言之，MOSFET表現(xiàn)出恒定current sink的特征。

非線性區(qū)域：MOSFET的電阻呈現(xiàn)非線性行為，ID隨著VDS而增加的速度減慢。

歐姆區(qū)域：對(duì)于給定柵源電壓VGS，漏極電流ID與漏源電壓VDS成正比。MOSFET在此運(yùn)作模式下充當(dāng)電阻器，數(shù)值等于其導(dǎo)通電阻RDS(ON)。

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圖1：功率MOSFET輸出特性
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標(biāo)準(zhǔn)MOSFET 不適合線性模式運(yùn)作
當(dāng)功率生成速率高于功率耗散速率時(shí)，線性模式下較大的功率耗散PD會(huì)引起電熱不穩(wěn)定性(electro-thermal instability, ETI)，可以理解為功率 MOSFET強(qiáng)制進(jìn)入線性運(yùn)作模式。通常，MOSFET 晶圓邊緣(芯片焊接到功率封裝之安裝片的位置)的溫度低于管芯中心的溫度，這是橫向熱流的結(jié)果。在實(shí)踐中，功率 MOSFET的晶圓結(jié)溫Tvj并不均勻。雖然芯片溫度變化在開(kāi)關(guān)模式運(yùn)作中大多是無(wú)害的，但在線性模式運(yùn)作中，這些溫度變化會(huì)引發(fā)災(zāi)難性故障。表面上的正反饋破壞機(jī)制帶來(lái)的結(jié)果：
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結(jié)溫 Tvj局部升高

由于負(fù)溫度系數(shù)，提高芯片溫度會(huì)導(dǎo)致柵極閾值電壓VGSTH局部降低

降低閾值電壓引起了局部電流密度JDS增加，使得?

電流密度的增加導(dǎo)致局部功率耗散增加，從而引起結(jié)溫進(jìn)一步局部升高

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MOSFET 等效電路包含寄NPN晶體管，其本身由 n 和 p 摻雜區(qū)域序列形成，如圖 2 所示。根據(jù)功率脈沖的持續(xù)時(shí)間、傳熱條件和 MOSFET 單元的設(shè)計(jì)，ETI 可能會(huì)引起漏電流集中產(chǎn)生線電流并形成熱點(diǎn)，電流通過(guò)Rw，產(chǎn)生壓降，這通常會(huì)導(dǎo)致受影響區(qū)域中的 MOSFET 單元失去柵極控制并開(kāi)啟寄生晶體管，隨后損壞器件[2]。
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圖 2：MOSFET 等效電路

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Littelfuse的線性 MOSFET產(chǎn)品組合

Littelfuse開(kāi)發(fā)了一系列功率 MOSFET 結(jié)構(gòu)和工藝，稱為線性 MOSFET L和L2系列[5]，通過(guò)消除正反饋環(huán)路而提供擴(kuò)展的正向偏置安全工作區(qū)(FBSOA)，以應(yīng)對(duì) ETI 引起的問(wèn)題。線性L和線性L2 MOSFET 系列的主要區(qū)別在于工作電壓和通道電阻RDS(ON)。
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這些器件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是晶體管單元非均勻分布，以及單元具有不同閾值電壓 [3]。為了使晶體管在極端電應(yīng)力條件下也不會(huì)開(kāi)啟，各個(gè)單元的寄生晶體管均采用高度旁路設(shè)計(jì)。每個(gè)晶體管單元的源極都設(shè)計(jì)有一個(gè)鎮(zhèn)流電阻，以限制其電流。
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采用這種方式設(shè)計(jì)的線性 MOSFET 通過(guò)抑制導(dǎo)致電熱不穩(wěn)定性(ETI)的正反饋，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展FBSOA功能 [4]。
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Littelfuse 的線性 MOSFET器件采用多種分立封裝，具有寬泛的電壓和電流范圍，如表 1 所示。線性MOSFET沒(méi)有特殊的柵極驅(qū)動(dòng)要求。IXYS柵極驅(qū)動(dòng)器系列 IXD_604適合這項(xiàng)用途，采用標(biāo)準(zhǔn) 8 引腳 DIP、8 引腳 SOIC、帶有裸露金屬背面的8 引腳功率SOIC和 8 引腳 DFN (D2) 封裝供貨。
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表1：Littelfuse線性MOSFET產(chǎn)品組合

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線性 MOSFET相比標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 更適合線性模式應(yīng)用

正向偏置安全工作區(qū) (FBSOA) 是定義最大允許工作點(diǎn)的數(shù)據(jù)表品質(zhì)因數(shù)(FOM)，在 FBSOA限制范圍內(nèi)運(yùn)作對(duì)于MOSFET 的安全運(yùn)作是非常重要的。典型FBSOA特性受到RDS(ON)限制線、電流限制線、功率限制線和電壓限制線的約束，如圖3所示。
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比較標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 和線性 MOSFET 的數(shù)據(jù)表，可見(jiàn)線性 MOSFET 具有擴(kuò)展的 FBSOA范圍。對(duì)于任何給定脈沖寬度，最大功率處理點(diǎn)都朝向電壓限制線移動(dòng)，見(jiàn)圖3。鑒于線性模式運(yùn)作的典型性質(zhì)，要求器件具有高功耗。線性 MOSFET相比標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 更適合線性模式應(yīng)用。因?yàn)榕c標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 相比，在 25μs、100μs、1ms、10ms 脈沖寬度和連續(xù)工作(DC)模式下，線性 MOSFET能夠處理的功率分別高出24%、31%、48%、73% 和 118%。
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圖 3：數(shù)據(jù)表 FBSOA 比較：標(biāo)準(zhǔn)MOSFET IXTH30N60P對(duì)比線性 MOSFET IXTH30N60L2

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應(yīng)用示例：電子負(fù)載

電子負(fù)載是一種吸收電流的測(cè)試儀器，通常用于測(cè)試各種負(fù)載條件下的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器、燃料電池、電池、太陽(yáng)能電池板或電源等電源設(shè)備。圖4表示電子負(fù)載的簡(jiǎn)化示意圖。DUT通過(guò)控制電壓Vcontrol設(shè)定點(diǎn)加載所需的電流。線性MOSFET(S1、S2、 ... Sn)用作調(diào)節(jié)通過(guò)負(fù)載的電流的可變電阻器。MOSFET 通常并聯(lián)排列以適應(yīng)更高的功率。除了線性 MOSFET 和柵極驅(qū)動(dòng)器，Littelfuse 還提供電子負(fù)載中常見(jiàn)的附加組件。如圖 ４所示，快速熔斷器(F1、F2、…Fn)、單向和雙向瞬態(tài)電壓抑制器(TVS、TVS1、TVS2、…TVSn)和用于半導(dǎo)體溫度監(jiān)測(cè)的 NTC器件(NTC1、NTC2、… NTCn)，這些均是 Littelfuse 產(chǎn)品組合中的產(chǎn)品[5]。
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圖４：基于線性MOSFET的電子負(fù)載的簡(jiǎn)化原理圖

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Littelfuse 線性 MOSFET優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)MOSFET

在線性模式應(yīng)用中，MOSFET通常以 10ms 或更長(zhǎng)的脈沖寬度在低頻下工作。1500V 2A的線性MOSFET IXTH2N150L 采用TO-247 封裝器件，是最流行的電子負(fù)載應(yīng)用器件之一。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中將這款器件與最接近競(jìng)爭(zhēng)器件1500V 2.5A TO-247封裝元件進(jìn)行了測(cè)試和比較。
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我們使用的FBSOA 測(cè)量裝置包括一個(gè)生成用于測(cè)量的功率脈沖的設(shè)備、安裝在銅散熱器上的被測(cè)設(shè)備 (DUT) 和一個(gè)用于測(cè)量外殼溫度TC的熱電偶，如圖 5a 所示。在兩個(gè) DUT上，使用不同脈沖寬度來(lái)測(cè)量器件可以承受的最大功率，圖5b 顯示了兩款器件在使用各種脈沖寬度下的最大功率承受能力方面的定量比較。我們可以觀察到，與競(jìng)爭(zhēng)器件比較，Littelfuse 器件能夠處理的功率明顯更高，尤其是對(duì)于 ≥10ms 的長(zhǎng)脈沖寬度和連續(xù)運(yùn)行狀況。這種穩(wěn)健的性能可以為線性模式應(yīng)用帶來(lái)更高的整體系統(tǒng)可靠性。

圖5a：FBSOA測(cè)量的實(shí)驗(yàn)室設(shè)置
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圖5b：Littelfuse線性MOSFET與競(jìng)爭(zhēng)器件對(duì)比

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Littelfuse是業(yè)界最可靠的合作伙伴，我們?cè)诰€性模式應(yīng)用的整個(gè)價(jià)值鏈中提供線性MOSFET、柵極驅(qū)動(dòng)器、高速保險(xiǎn)絲、TVS 二極管和溫度傳感解決方案等主要組件。Littelfuse所有線性器件都經(jīng)過(guò) 100% 測(cè)試，以保證 FBSOA性能、部件的長(zhǎng)期可用性，并且由于低結(jié)殼熱阻RthJC而具有高功耗能力。
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參考文獻(xiàn)
[1] Baliga, B. Jayant，“功率半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)”，Springer，2008 年。
[2] 白皮書(shū)：“MOSFET耐受線性模式運(yùn)作壓力”，
https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors/discrete-mosfets/n-channel-linear.aspx
?[3] Zommer, Tsukanov，“非均勻功率半導(dǎo)體和制造非均勻功率半導(dǎo)體的方法”，美國(guó)專(zhuān)利號(hào)US 7157338 B2，2007 年 1 月
[4] Zommer, Tsukanov，“非均勻功率半導(dǎo)體器件”，美國(guó)專(zhuān)利號(hào) US 6710405 B2，2004年3月。
[5] 在https://www.littelfuse.com/products.aspx上的Littelfuse 產(chǎn)品
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