在線性模式供電的電子系統(tǒng)中，功率 MOSFET器件被廣泛用作壓控電阻器，電磁干擾 (EMI) 和系統(tǒng)總體成本是功率MOSFET的優(yōu)勢(shì)所在。
    在線性模式工作時(shí)，MOSFET必須在惡劣工作條件下工作，承受很高的漏極電流(ID)和漏源電壓 (VDS)，然后還需處理很高的功率。這些器件必須滿足一些技術(shù)要求才能提高耐用性，還必須符合熱管理限制，才能避免熱失控。
    意法半導(dǎo)體 (ST) 推出了一款采用先進(jìn)的 STPOWER STripFET F7制造技術(shù)和H2PAK 封裝的 100V功率 MOSFET。該器件改進(jìn)了需要高功率和高壓降的正向偏置安全工作區(qū) (FBSOA)操作的耐用性。
    寬 SOA 安全工作區(qū)是 STripFET F7 技術(shù)優(yōu)化的結(jié)果。優(yōu)化內(nèi)容包括兩個(gè)方面：首先是調(diào)整柵極-源極電壓 (VGS)，避免電流聚焦，其次是設(shè)置閾壓(VGS(th))和跨導(dǎo)(Gfs)，降低熱耗散功率。因此，在更廣泛的SOA工作條件下，MOSFET保持熱性能穩(wěn)定。
    新推出的STH200N10WF7-2 功率 MOSFET是為電池隔離和配電安全開關(guān)、浪涌電流限制器、電子保險(xiǎn)絲、線性驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、負(fù)載開關(guān)和熱插拔應(yīng)用而量身定制。
    Rugged Behavior in Linear Mode在線性模式下的耐用性
    與同級(jí)溝槽器件相比，新的寬SOA MOSFET (STH200N10WF7-2)的性能更好，因?yàn)樵谙嗤墓ぷ鳁l件下，電流處理能力更高，如圖 1 和圖 2 所示。

    圖 1. 標(biāo)準(zhǔn)溝槽 MOSFET 的 SOA 圖

    圖 2. 寬 SOA 溝槽 MOSFET 的 SOA 圖
    雖然 20V標(biāo)準(zhǔn)溝槽 MOSFET 能夠耐受脈沖時(shí)間10ms 的2.5A 電流，但在相同條件下，新的寬 SOA的STH200N10WF7-2可以處理 6.5A 電流。
    性能改進(jìn)是技術(shù)優(yōu)化的結(jié)果。優(yōu)化的目的是確保電流曲線在高 VDS時(shí)近乎平坦，以及電流限制隨時(shí)間變化的自我平衡能力，如圖 3 和 4所示 [1]。

    圖 3. 寬 SOA MOSFET 的測(cè)量輸出特性
    圖 4. 漏極電流隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性模擬圖
    與標(biāo)準(zhǔn)溝槽 MOSFET 和市場(chǎng)上的競(jìng)品相比，寬 SOA MOSFET 在更廣泛的線性模式工作條件下表現(xiàn)出更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。
    作為在設(shè)計(jì)和優(yōu)化之間權(quán)衡的結(jié)果，在柵源電壓(VGS) 較低時(shí)，STH200N10WF7-2的電流增益較小，可以在線性模式工作時(shí)限制電流增加和熱失控，但是，在柵源電壓(VGS) 較高時(shí)，該器件可以提高電流值，在開關(guān)條件下降低導(dǎo)通電阻(RDS(on))，如圖 5 所示。

   圖 5.傳導(dǎo)特性模擬
    因?yàn)檫@個(gè)特性，在限制啟動(dòng)過(guò)程的線性模式浪涌電流脈沖后，寬 SOA 器件也可以在 PWM(脈沖寬度調(diào)制)模式下工作。
    線性模式性能
    漏極電流熱系數(shù) (TC)是決定功率 MOSFET 線性模式性能的關(guān)鍵參數(shù)，定義如下：
    其中ID是漏極電流，T 是器件的溫度。
    該系數(shù)代表器件在高溫和高壓下自我平衡電流控制的能力，這是一個(gè)依賴于技術(shù)的參數(shù)，與 MOSFET 的傳導(dǎo)特性及其隨溫度變化的趨勢(shì)有關(guān)（圖 6）。

    圖 6. 功率 MOSFET 的傳導(dǎo)特性(在不同溫度下)
    三條傳導(dǎo)曲線相交于一個(gè)交叉點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)被稱為零溫度系數(shù)ZTC：
    §若VGS= VGS(ZTC)，則器件電流和溫度保持穩(wěn)定；
    §若VGS> VGS(ZTC)，隨著器件溫度升高，漏極電流逐漸減小，達(dá)到熱穩(wěn)定條件；
    §反之亦然，若VGS< VGS(ZTC)，隨著器件溫度升高，漏極電流繼續(xù)增加，這是因?yàn)殚撝惦妷狠^低，其對(duì)溫度的系數(shù)為負(fù)。因此，當(dāng)芯片的局部區(qū)域變得比相鄰區(qū)域更熱時(shí)，它會(huì)傳導(dǎo)更多的漏極電流，從而產(chǎn)生更多的熱量，如果沒有設(shè)置適當(dāng)?shù)南拗茥l件，將導(dǎo)致器件失效(熱失控)[1]。
    下圖(圖 7)所示是標(biāo)準(zhǔn) STripFET F7 MOSFET 和新型寬 SOA STH200N10WF7-2之間的熱系數(shù)比較。

    圖 7. 標(biāo)準(zhǔn)器件和新 MOSFET 在不同 VDS時(shí)的熱系數(shù)
    當(dāng) TC 為零或負(fù)值時(shí)，隨著溫度的升高，漏極電流減小，器件工作在熱穩(wěn)定條件下。然而，即使TC為正，該器件也可以正常工作：這取決于整個(gè)裸片散去單位面積熱量的熱處理能力。如果隨著時(shí)間推移產(chǎn)生的熱量可以完全從器件中散掉，那么功率 MOSFET 就可以在安全的條件下工作 [2]。
    “低 ID和高 VDS”區(qū)域是線性模式器件SOA中不安全的區(qū)域：事實(shí)上，低 ID 區(qū)域通常是功率 MOSFET 具有正熱系數(shù)的區(qū)域，同時(shí)增加 VDS，功率和熱量會(huì)大幅提高 [2]。
    然后，在熱系數(shù)曲線固定下來(lái)后，器件在高 VDS 電壓時(shí)可能會(huì)變得更加不穩(wěn)定。熱不穩(wěn)定條件也可以寫成：
    其中 TC 是熱系數(shù)，Rth是熱阻。
    芯片上的溫度在不同 VDS電壓時(shí)的分布情況
   在VDS= 10V時(shí)的芯片溫度、在VDS= 15V時(shí)的芯片溫度和 在VDS= 20V時(shí)的芯片溫度
    在VDS電壓從 10V 提高到 20V后，裸片的溫度分布變得不太均勻，并且在非常小的區(qū)域有清晰的熱集中現(xiàn)象，這個(gè)區(qū)域的溫度比相鄰區(qū)域上升更快：在這里，柵極-源極閾壓 (VGS(th))局部降低，再加上漏極電流變大(這會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，導(dǎo)致VGS(th)閾壓進(jìn)一步降低)，可能引起熱失控和器件失效。當(dāng) VDS 增加時(shí)，因?yàn)殡娏骷性谝粋€(gè)小區(qū)域，器件的有效面積減小，熱阻將會(huì)變大，器件可以安全處理的功率水平將會(huì)降低
    半導(dǎo)體封裝的熱阻 (Rth) 是衡量材料將熱量從結(jié)或裸片傳遞到周圍環(huán)境或印刷電路板的能力的量度。熱阻越低，裸片散熱越快越好。低壓功率MOSFET的熱阻與幾個(gè)因素有關(guān)：器件特性，例如，封裝類型、裸片尺寸厚度。裸片貼裝工藝的一些缺陷(空隙)也會(huì)明顯改變器件的熱阻，從而導(dǎo)致裸片上局部溫度升高。然后，芯片工藝中的不一致性可能會(huì)產(chǎn)生局部熱點(diǎn)，終可能導(dǎo)致器件失效。另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素是溫度升高。事實(shí)上，硅材料的熱阻是隨著溫度升高而增加，這會(huì)降低離結(jié)較遠(yuǎn)區(qū)域的散熱性能。芯片封裝過(guò)程中的不一致性以及高溫會(huì)引起裸片局部區(qū)域的熱阻值升高，從而為熱失控和器件失效埋下隱患[3]。
    試驗(yàn)驗(yàn)證
    我們采用圖 10 所示的測(cè)試電路驗(yàn)證了STH200N10WF7-2 MOSFET 的耐用性。
    測(cè)試條件如下：
    Vcc = VDS= 40 V
    VDZ = 36 V
    R = 1k.
    個(gè)測(cè)試是施加一個(gè)持續(xù)時(shí)間為 10 ms 的脈沖，同時(shí)增加 ID電流值直到器件失效為止。標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 和寬 SOA 器件在失效前的相關(guān)測(cè)量波形
    實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，寬 SOA MOSFET 的電流處理能力非常出色，能夠承受 29.5A 的電流，而標(biāo)準(zhǔn)器件只能處理1.2A的電流。
    第二個(gè)測(cè)試是給電路施加20A電流，同時(shí)增加脈沖持續(xù)時(shí)間直到器件失效。兩種器件在失效前測(cè)量到的波形和 所示。
    測(cè)試結(jié)果證明，寬 SOA MOSFET具有很高的耐用性，能夠在惡劣的線性模式條件正常工作20ms，而標(biāo)準(zhǔn)器件只工作800s就失效了。
  是把這些功率處理能力和脈沖持續(xù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果投射到SOA 曲線上。
    功率水平和脈沖持續(xù)時(shí)間兩項(xiàng)測(cè)試都證明，寬 SOA 技術(shù)具有更高的耐用性。如圖 17 所示，的競(jìng)品在更低的功率水平和更短的脈沖持續(xù)時(shí)間下失效了。
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，競(jìng)品僅能承受 30V電壓10.4A 電流10ms。
    結(jié)論
    新的寬 SOA MOSFET 技術(shù)在線性模式下工作性能表現(xiàn)出色，這要?dú)w功于產(chǎn)品本身的高耐用性和防止熱失控的熱穩(wěn)定性。此外，這款可以在全飽和區(qū) (線性電阻行為) 工作的器件也適用于僅在過(guò)渡階段有線性模式的開關(guān)電源應(yīng)用。STH200N10WF7-2 是設(shè)計(jì)更安全的電子系統(tǒng)的選擇。