La tecnología de semiconductores ha evolucionado a lo largo de los años con logros notables. Los dispositivos de hoy en día han mejorado significativamente el rendimiento, especialmente en la resistencia de estado de encendido de fuente de drenaje más baja, carga de puerta más baja y velocidades de conmutación más rápidas. El bajo consumo de energía y el alto rendimiento del sistema en general son de suma importancia en el mundo competitivo de hoy. La mayoría de los dispositivos MOSFET de potencia se utilizan como interruptores en aplicaciones de alta frecuencia donde la velocidad de conmutación es un requisito crítico de la aplicación.[1] La eficiencia mejora debido a las bajas pérdidas de conmutación dinámicas y en estado activo en intervalos de conmutación muy cortos. También exhibe mejores características de estabilidad electrotérmica debido a los coeficientes de temperatura positivos de resistencia en estado (RDS(ON)) y voltaje de ruptura (BVDSS). Estos atributos son deseables para limitar la posibilidad de condiciones de fuga térmica. Sin embargo, estas características deseables no son ideales para aplicaciones en las que el dispositivo funciona en modo lineal. La alta transconductancia (gFS) hace que el dispositivo sea susceptible a la inestabilidad electrotérmica, especialmente cuando funciona en modo lineal. La situación de inestabilidad térmica se vuelve más pronunciada con corrientes de drenaje (ID) bajas debido a la reducción progresiva del tamaño de matriz del MOSFET de potencia.[2][3] En segundo lugar, el voltaje de umbral (VTH) tiene un coeficiente de temperatura negativo, lo que hace imposible mantener una corriente de drenaje (ID) constante sin retroalimentación negativa.[1] Un coeficiente de temperatura positivo de RDS(ON) no tiene en cuenta todos los factores en un funcionamiento estable. Estas compensaciones pueden dar lugar a un fenómeno conocido como “puntos calientes” en los MOSFET de potencia, que pueden tener efectos devastadores en el dispositivo. Incluso con disipadores de calor de dispositivos bien diseñados, los puntos calientes son difíciles de controlar. Esto se debe a que los disipadores de calor solo funcionan para reducir la temperatura de unión promedio general y los puntos calientes están más concentrados en áreas específicas de la estructura de la celda del MOSFET de potencia.
prólogo
La tecnología de semiconductores ha evolucionado a lo largo de los años con logros notables. Los dispositivos de hoy en día han mejorado significativamente el rendimiento, especialmente en la resistencia de estado de encendido de fuente de drenaje más baja, carga de puerta más baja y velocidades de conmutación más rápidas. El bajo consumo de energía y el alto rendimiento del sistema en general son de suma importancia en el mundo competitivo de hoy. La mayoría de los dispositivos MOSFET de potencia se utilizan como interruptores en aplicaciones de alta frecuencia donde la velocidad de conmutación es un requisito crítico de la aplicación.[1] La eficiencia mejora debido a las bajas pérdidas de conmutación dinámicas y en estado activo en intervalos de conmutación muy cortos. También exhibe mejores características de estabilidad electrotérmica debido a los coeficientes de temperatura positivos de resistencia en estado (RDS(ON)) y voltaje de ruptura (BVDSS). Estos atributos son deseables para limitar la posibilidad de condiciones de fuga térmica. Sin embargo, estas características deseables no son ideales para aplicaciones en las que el dispositivo funciona en modo lineal. La alta transconductancia (gFS) hace que el dispositivo sea susceptible a la inestabilidad electrotérmica, especialmente cuando funciona en modo lineal. Las situaciones de inestabilidad térmica se vuelven más pronunciadas con corrientes de drenaje bajas (ID). Esto se ve afectado por la reducción progresiva de los tamaños de troquel MOSFET de potencia23. Corriente de drenaje constante (ID) sin retroalimentación negativa.[1] Un coeficiente de temperatura positivo de RDS(ON) no tiene en cuenta todos los factores en un funcionamiento estable. Estas compensaciones pueden dar lugar a un fenómeno conocido como “puntos calientes” en los MOSFET de potencia, que pueden tener efectos devastadores en el dispositivo. Incluso con disipadores de calor de dispositivos bien diseñados, los puntos calientes son difíciles de controlar. Esto se debe a que los disipadores de calor solo funcionan para reducir la temperatura de unión promedio general y los puntos calientes están más concentrados en áreas específicas de la estructura de la celda del MOSFET de potencia.
Esta nota de aplicación se centra en los factores que influyen en las condiciones de inestabilidad térmica en dispositivos MOSFET de trinchera de modo lineal. especialmente,
Se producen procesos intensivos de corriente de drenaje (ID), que crean puntos calientes localizados en el dispositivo. Se probaron varios dispositivos hasta fallar para determinar la extensión del daño dentro del troquel y para distinguir las firmas de falla bajo varias condiciones de prueba. Se presenta un análisis práctico del rendimiento del área de operación segura de polarización directa (FBSOA) del dispositivo en modo lineal. Esto se evalúa en términos de encontrar el valor del coeficiente de temperatura cero (ZTC) del dispositivo en función de la curva de rendimiento de ID frente a VGS.
Reconsideración de las capacidades de área operativa segura de los MOSFET de potencia
Las curvas de área de operación segura (SOA) muestran los límites de la capacidad de manejo de energía de los dispositivos MOSFET de potencia. En las aplicaciones de modo de conmutación, los ingenieros de diseño generalmente se enfocan en las pérdidas dinámicas del dispositivo y la capacidad de falla en el estado apagado.Los límites FBSOA del dominio de potencia son de poca importancia[1] en aplicaciones de modo de conmutación. Los dispositivos que funcionan en modo lineal resaltan otro escenario. Opera en modo de no saturación lejos de RDS (ENCENDIDO) y líneas de corriente constante, pero en algún lugar dentro del límite SOA justo antes de la región límite de voltaje de ruptura. Cuando el dispositivo está funcionando en modo lineal, disipa mucha potencia porque funciona con caídas de voltaje y corrientes altas que pueden aumentar rápidamente la temperatura de la unión.Fuga térmica, inestabilidad térmica e inestabilidad electrotérmica son sinónimos
Una condición inestable que ocurre cuando la temperatura de la unión aumenta sin control hasta que ocurre la falla del dispositivo. La Figura 1 muestra una curva SOA típica que se encuentra en la mayoría de las hojas de datos de MOSFET de potencia. La curva de potencia constante que se muestra a la derecha de la línea de corriente constante dentro del límite SOA se extrae de los datos térmicos con el supuesto de que la temperatura de la unión es esencialmente uniforme en todo el dado del MOSFET de potencia. La potencia disipada no provoca una falla catastrófica del dispositivo, pero la temperatura de la unión aumenta hasta la temperatura máxima garantizada cuando el pulso de potencia aplicado se distribuye uniformemente por la superficie de la matriz.
Desafortunadamente, las suposiciones anteriores no siempre son válidas. Debe tenerse en cuenta que el borde del troquel soldado a las almohadillas de montaje generalmente está más frío que el centro del troquel. Algunas imperfecciones relacionadas con el proceso de fijación del troquel. Huecos, cavidades de grasa térmica, etc. Puede afectar la conductividad térmica, aumentando significativamente la temperatura local en el área afectada. Otros aspectos relacionados con las imperfecciones del proceso de fabricación pueden cambiar el voltaje de umbral (VTH) y la transconductancia (gFS), afectando negativamente el rendimiento térmico del dispositivo. Se han publicado varios artículos técnicos que muestran las capacidades limitadas de la nueva generación de MOSFET de potencia de bajo voltaje. Se ha demostrado que la funcionalidad SOA del dispositivo se desvía significativamente de los límites SOA esperados en voltajes de suministro cercanos a su clasificación de voltaje de ruptura (BVDSS). Se realizaron pruebas de validación y los resultados de las pruebas parecían indicar fenómenos de hacinamiento actuales confinados a regiones específicas de la estructura de la celda del MOSFET de potencia. Las desviaciones de los límites de SOA son más pronunciadas para las pruebas de duración de pulsos cortos. Se planteó la hipótesis de que este comportamiento anómalo es causado por los efectos del voltaje de umbral o la ganancia del dispositivo en función de la temperatura.[2-3] La curva SOA modificada en la Figura 2 destaca el impacto de los límites de inestabilidad térmica en dispositivos MOSFET de potencia de bajo voltaje presentados por Spirito et al., y otras referencias.[1-4]
Modo lineal de MOSFET de potencia
Un MOSFET de potencia en estado conductor tiene básicamente dos modos de operación (sin contar el modo de corte en estado apagado). La Figura 3 muestra el límite entre las regiones lineales y saturadas. El lado derecho de la línea (sombreado) indica la región saturada y el lado izquierdo indica la región saturada.
- Región lineal (también conocida como “modo triodo” o “modo óhmico”)
- En la región lineal, la corriente de drenaje (ID) es una función lineal de la tensión de drenaje (VDS).
- Este dispositivo actúa como una resistencia y está controlado por el voltaje de puerta (VGS) relativo al voltaje de drenaje (VDS).
- VDS < (VGS-VTH) および VGS > VTH.
- En el modo lineal, cuanto menor sea el cambio en el voltaje de la puerta, más lineal será el cambio en la corriente de drenaje.
- región saturada
- Los electrones se difunden porque el voltaje de drenaje (VDS) es más alto que el voltaje de puerta (VGS).
- VDS > (VGS-VTH) y VGS > VTH.
En modo lineal, la corriente de drenaje (ID) se puede ajustar mediante el voltaje de puerta (VGS) cuando el MOSFET de potencia está en la región activa. Esto se define como operación en modo lineal. El RDS(ON) de un dispositivo está determinado por su voltaje de puerta y su corriente de drenaje. En este modo, el dispositivo está expuesto a un alto estrés electrotérmico causado por un alto voltaje y corriente de drenaje simultáneos, lo que resulta en una alta disipación de energía.
*Coeficiente de temperatura de la corriente de drenaje (ΔID/ΔT)*
La Figura 4 muestra la curva de rendimiento de ID frente a VGS para un dispositivo MOSFET de potencia específico. Esta curva de transferencia generalmente se incluye en la hoja de datos del dispositivo y muestra la corriente de drenaje (ID) como una función del voltaje de puerta (VGS) a una temperatura de unión fija. El coeficiente de temperatura cero (ZTC) es el punto a lo largo de la curva donde se cruzan las líneas de temperatura. Esto corresponde al voltaje de puerta en el que el rendimiento eléctrico de CC del dispositivo permanece constante sobre la temperatura. Es decir, ΔID/ΔT=0. Por debajo de ZTC, ID aumenta a medida que aumenta la temperatura de la celda, lo que permite que la celda extraiga corriente de las celdas vecinas. Cuando una celda o un pequeño grupo de celdas se calienta más que las celdas circundantes, tienden a conducir más corriente. A medida que se conduce más ID a través de la celda, la temperatura aumenta y las pérdidas en estado activo (mayor consumo de energía) generan más calor, lo que hace que fluya más corriente (efecto regenerativo de retroalimentación positiva). Esta voluntad
ΔID/ΔT >0 (coeficiente de temperatura positivo). Establecer el voltaje de control de puerta a fuente (VGS) por debajo de ZTC puede causar una condición de fuga térmica.
En VGS por encima de ZTC, la celda de alta temperatura relativamente caliente tiene un gFS más bajo (la movilidad disminuye con la temperatura). Una celda más cálida puede reducir la corriente ID (retroalimentación negativa) porque consume menos corriente que una celda con una temperatura ambiente más fría. Esto da ΔID/ΔT <0 (coeficiente de temperatura negativo). Cuanto más caliente está la celda, menor es el flujo de corriente, lo que conduce a la estabilización térmica. Los dispositivos que funcionan a este nivel de VGS son menos propensos a las condiciones de fuga térmica. En general, los MOSFET de potencia de mayor densidad de corriente tienen una mayor transconductancia (gFS). Cuanto mayor sea el gFS, mayor será la intersección actual de ID (ID frente a VGS) en la curva de transferencia. Cuanto mayor sea el gFS, mayor será el ZTC. Una consideración al elegir un dispositivo en modo lineal es elegir un dispositivo que muestre un valor ZTC más bajo. Consulte las Figuras 5 y 6 para comprender el impacto de los puntos ZTC. La figura 5 muestra el comportamiento de VGS en función de la temperatura con ID constante. La selección de los tres valores de ID se basa en tres condiciones de funcionamiento. Es decir, uno para valores por debajo del punto ZTC, otro a la derecha del punto ZTC, y el último para valores por encima del punto ZTC. Tenga en cuenta la variación de VGS con la temperatura en los ID por encima y por debajo del punto ZTC. Por debajo del punto ZTC, el valor VGS varía inversamente con la temperatura. Para los valores de ID elegidos en los puntos ZTC, VGS permanece relativamente constante sobre la temperatura. Más allá del punto ZTC, el valor VGS cambia con el aumento de la temperatura. La figura 6 muestra el efecto sobre la corriente de drenaje (ID) para valores de VGS por encima, por debajo e igual al punto ZTC. Como se enfatizó anteriormente, la ID permanece relativamente constante en los puntos ZTC. La variación de ID por encima y por debajo del punto ZTC es en dirección opuesta a VGS.