无人机电池管理充放电MOSFET的选择

1、前言

 

   无人机锂离子电池的容量非常大,高达6000mAh,以满足更长的飞机时间的需求。电池包的内部通常和输出的负载之间要串联功率MOSFET,同时使用专用的IC控制MOSFET的开关,从而对充、放电进行管理。在实际应用中,正常的情况下功率MOSFET的工作没有问题。但是在一些极端情况下,比如无人机在飞行过程中遇到碰撞时,电池就会流过非常大的电流,IC检测到输出过流后,要延时一段时间才能做出保护动作,那么在延时的时间内,由于MOSFET的工作电流非常大,MOSFET就会工作在线性区,这就要求MOSFET承受大电流冲击的同时,还要承受高电压,MOSFET设计和选型就非常重要,否则会造成MOSFET的损坏,导致无人机从空中坠毁。

2、无人机电池包充用于放电管理的MOSFET工作特性

 

   无人机电池包输出进行大电流测试,内部MOSFET的工作波形如图1所示,MOSFET在大电流测试的关断过程中工作在线性区。


                                                                                           图1:短路测试波形

   功率MOSFET工作特性有三个工作区:截止区、线性区和完全导通区。在完全导通区和线性区工作时候,都可以流过大的电流。理论上,功率MOSFET是单极型器件,对于N沟道的功率MOSFET,完全导通的时候,只有电子电流,没有空穴电流。

 

   功率MOSFET完全导通时,VDS的压降低,耗尽层完全消失;功率MOSFET在线性区工作时,VDS的电压比较高,耗尽层仍然存在,此时由于外延层EPI的耗尽层产生电子-空穴对,空穴也会产生电流,参入电流的导通。

 

   线性区工作时产生明显的空穴电流,空穴电流产生后,就会通过MOSFET内部的BODY体区流向S极,这也导致有可能触发寄生三极管,对功率MOSFET产生危害。

 

   功率MOSFET在线性区工作时,器件同时承受高的电压和高的电流时,会产生下面的问题:

 

(1)内部的电场大,注入更多的空穴。

 

(2)有效的沟道宽度比完全导通时小。

 

(3)降低Vth和降低击穿电压。

 

(4)Vth低,电流更容易倾向于局部的集中,形成热点;负温度系数特性进一步恶化局部热点。

 

   功率MOSFET工作在线性区时,器件承受高的电压,高的电压偏置的耗尽层,导致有效的体电荷减小;工作电压越高,内部的电场越高,电离加强产生更多电子-空穴对,形成较大的空穴电流。特别是如果工艺不一致,局部区域达到临界电场,会产生非常强的电离和更大的空穴电流,增加寄生三极管导通的风险。

3、实验及测试

 

   为了测量功率MOSFET的线性区工作特性,设计了相应的电路,使用AOS最新一代技术的MOSFET:AONS32100,导通电阻0.55mOhm,电压为25V,采用DFN5X6封装。电路和测试波形如图3所示。图3中示出的是10V/10mS的SOA的测试波形,电路可以针对具体的使用相应的测量条件,从而更加符合实际应用的要求。

图2:线性区测量电路

                                                                                            图2:线性区测量电路


                                                   图3:线性区测试波形

4、失效原因分析

 

   如图4所示,当MOSFET 开通时,导通阻抗RDS从负温度系数区(NTC工作区,导通电阻随温度升高而减小)穿越到正温度系数区(PTC工作区,导通电阻随温度升高而增大)。在负温度系数区,热的单元有更低的导通压降,周围的电流会聚集到这个区域。[1-5]

                                      (a) 负温度系数区


                                                                    
(b) 线性区失效过程
                                     
图4:功率MOSFET负温度系数区及线性区失效

   当电流进一步聚集,热的区域会产生正反馈:单个单元导通电阻更小,就会流过更多的电流,更多的电流会让这个区域发热量更大,温度升高,温度升高导致这个单元的导通电阻更小,在线性区形成正反馈。

 

   一旦内部单元形成正反馈,如果器件在线性区停留时间足够长,就会形成局部热点,局部热点的电流进一步聚集到少数温度更高的单元,这些单元的温度就会进一步升高。并且最终导致器件热击穿损坏。

 

5、改进方法

 

   通过内部的结构优化,可以提高功率MOSFET的线性区特性,如提高单元之间的间隔,防止邻近单元相互加热而形成局部热点就是一种方法,由此带来的导通电阻的增加,可以通过其它的方式来加以改善,如使用特定结构、采用超结结构的P柱、或深沟槽场板,改变电场的形态和电流线的分布,从而降低导通电阻。[6]

 

   优化后的功率MOSFET线性区的工作性能如图5所示,可以看到,AOS新一代新技术的功率MOSFET,不但具有优异的线性区性能,而且具有更低的导通电阻RDS(ON),为当前无人机的电池包管理领域的应用提供最佳解决方案。


                                                         图5:线性区性能和RDS(ON)对比

 

6、结论

 

   无人机电池包的管理应用中,功率MOSFET在大电流测试的关断过程中,工作于高压大电流冲击的线性区,需要使用具有优异线性区工作特性的功率MOSFET。同时系统要求MOSFET具有低导通阻抗,以满足大电流,低损耗,发热量低的要求。

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