无人机电池管理充放电MOSFET的选择

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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，采用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。

参考文献

[1] 刘松.理解功率MOSFET的Rds(on)温度系数特性.今日电子,2009,11:25-26

[2] 刘松.基于漏极导通区特性理解MOSFET开关过程.今日电子,2008,11:74-75

[3] 刘松.理解功率MOSFET的电流.今日电子,2011,11:35-37

[4] 刘松.脉冲漏极电流IDM及短路保护.今日电子,2018,1:21-23

[5] 刘松,陈均,林涛.功率MOS管Rds(on)负温度系数对负载开关设计影响.电子技术应用,2010,12(36):72-74

[6] 刘松.超结型高压功率MOSFET结构工作原理.今日电子,2013,11:30-32