1、前言
無人機鋰離子電池的容量非常大，高達6000mAh，以滿足更長的飛機時間的需求。電池包的內部通常和輸出的負載之間要串聯功率MOSFET，同時使用專用的IC控制MOSFET的開關，從而對充、放電進行管理。在實際應用中，正常的情況下功率MOSFET的工作沒有問題。但是在一些極端情況下，比如無人機在飛行過程中遇到碰撞時，電池就會流過非常大的電流，IC檢測到輸出過流后，要延時一段時間才能做出保護動作，那么在延時的時間內，由于MOSFET的工作電流非常大，MOSFET就會工作在線性區，這就要求MOSFET承受大電流沖擊的同時，還要承受高電壓，MOSFET設計和選型就非常重要，否則會造成MOSFET的損壞，導致無人機從空中墜毀。
2、無人機電池包充用于放電管理的MOSFET工作特性
無人機電池包輸出進行大電流測試，內部MOSFET的工作波形如圖1所示，MOSFET在大電流測試的關斷過程中工作在線性區。
圖1：短路測試波形
功率MOSFET工作特性有三個工作區：截止區、線性區和完全導通區。在完全導通區和線性區工作時候，都可以流過大的電流。理論上，功率MOSFET是單極型器件，對于N溝道的功率MOSFET，完全導通的時候，只有電子電流，沒有空穴電流。
功率MOSFET完全導通時，VDS的壓降低，耗盡層完全消失；功率MOSFET在線性區工作時，VDS的電壓比較高，耗盡層仍然存在，此時由于外延層EPI的耗盡層產生電子-空穴對，空穴也會產生電流，參入電流的導通。
線性區工作時產生明顯的空穴電流，空穴電流產生后，就會通過MOSFET內部的BODY體區流向S極，這也導致有可能觸發寄生三極管，對功率MOSFET產生危害。
功率MOSFET在線性區工作時，器件同時承受高的電壓和高的電流時，會產生下面的問題：
（1）內部的電場大，注入更多的空穴。
（2）有效的溝道寬度比完全導通時小。
（3）降低Vth和降低擊穿電壓。
（4）Vth低，電流更容易傾向于局部的集中，形成熱點；負溫度系數特性進一步惡化局部熱點。
功率MOSFET工作在線性區時，器件承受高的電壓，高的電壓偏置的耗盡層，導致有效的體電荷減小；工作電壓越高，內部的電場越高，電離加強產生更多電子-空穴對，形成較大的空穴電流。特別是如果工藝不一致，局部區域達到臨界電場，會產生非常強的電離和更大的空穴電流，增加寄生三極管導通的風險。
3、實驗及測試
為了測量功率MOSFET的線性區工作特性，設計了相應的電路，使用AOS最新一代技術的MOSFET：AONS32100，導通電阻0.55mOhm，電壓為25V，采用DFN5X6封裝。電路和測試波形如圖3所示。圖3中示出的是10V/10mS的SOA的測試波形，電路可以針對具體的使用相應的測量條件，從而更加符合實際應用的要求。
圖2：線性區測量電路
圖3：線性區測試波形
4、失效原因分析
如圖4所示，當MOSFET 開通時，導通阻抗RDS從負溫度系數區（NTC工作區，導通電阻隨溫度升高而減小）穿越到正溫度系數區（PTC工作區，導通電阻隨溫度升高而增大）。在負溫度系數區，熱的單元有更低的導通壓降，周圍的電流會聚集到這個區域。[1-5]
(a) 負溫度系數區
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(b) 線性區失效過程
圖4：功率MOSFET負溫度系數區及線性區失效
當電流進一步聚集，熱的區域會產生正反饋：單個單元導通電阻更小，就會流過更多的電流，更多的電流會讓這個區域發熱量更大，溫度升高，溫度升高導致這個單元的導通電阻更小，在線性區形成正反饋。
一旦內部單元形成正反饋，如果器件在線性區停留時間足夠長，就會形成局部熱點，局部熱點的電流進一步聚集到少數溫度更高的單元，這些單元的溫度就會進一步升高。并且最終導致器件熱擊穿損壞。
5、改進方法
通過內部的結構優化，可以提高功率MOSFET的線性區特性，如提高單元之間的間隔，防止鄰近單元相互加熱而形成局部熱點就是一種方法，由此帶來的導通電阻的增加，可以通過其它的方式來加以改善，如使用特定結構、采用超結結構的P柱、或深溝槽場板，改變電場的形態和電流線的分布，從而降低導通電阻。[6]
優化后的功率MOSFET線性區的工作性能如圖5所示，可以看到，采用AOS新一代新技術的功率MOSFET，不但具有優異的線性區性能，而且具有更低的導通電阻RDS（ON），為當前無人機的電池包管理領域的應用提供最佳解決方案。
圖5：線性區性能和RDS（ON）對比
6、結論
無人機電池包的管理應用中，功率MOSFET在大電流測試的關斷過程中，工作于高壓大電流沖擊的線性區，需要使用具有優異線性區工作特性的功率MOSFET。同時系統要求MOSFET具有低導通阻抗，以滿足大電流，低損耗，發熱量低的要求。
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參考文獻
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[2] 劉松.基于漏極導通區特性理解MOSFET開關過程.今日電子,2008,11:74-75
[3] 劉松.理解功率MOSFET的電流.今日電子,2011,11:35-37
[4] 劉松.脈沖漏極電流IDM及短路保護.今日電子,2018,1:21-23
[5] 劉松,陳均,林濤.功率MOS管Rds(on)負溫度系數對負載開關設計影響.電子技術應用,2010,12(36):72-74
[6] 劉松.超結型高壓功率MOSFET結構工作原理.今日電子,2013,11:30-32
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