MOSFET-零温度系数点ZTC（Zero Temperature Coefficient）

时间： 2024-10-12 来源：NCE（无锡新洁能股份有限公司公众号）

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引言

开关电源应用中，功率MOSFET工作于开关状态，在截止区和完全导通的饱和区之间高频切换，由于在切换过程中要经过线性区，因此产生开关损耗。本文着重介绍MOSFET开关在线性区的微观动态过程中，容易忽视的一个概念-零温度系数点ZTC，围绕ZTC展开的相关状态讨论。

MOSFET完全导通时，RDS(ON)处于正温度系数区，局部单元的温度增加，电流减小温度降低，芯片具有自动平衡电流的分配能力。

但在跨越线性区时，会产生动态的不平衡，VGS电压低，通常在负温度系数区，局部单元过热导致其流过更大的电流，结果温度更高，从而形成局部热点导致器件损坏，这样就形成一个热电不稳定性区域ETI （Electric Thermal Instability），发生于VGS低于温度系数为0（ZTC）的负温度系数区。

一、什么是零温度系数点ZTC

如图1功率MOSFET的转移特性所示，25℃和150℃两条曲线有一个交点，此交点对应着相应的VGS与电流ID曲线有一个温度系数为0的电压值2.7V，通常这个点就称为零温度系数点ZTC（Zero Temperature Coefficient）（即温度系数=0)。VGS高于2.7V时，温度越高电流越小，功率MOSFET的RDS(ON)是正温度系数；VGS低于2.7V时，温度越高电流越大，功率MOSFET的RDS(ON)是负温度系数。

图1 MOSFET Transfer Characteristic

二、从MOSFET内部结构理解RDS(ON)与热平衡变化过程

在功率MOSFET的内部由许多单元，即小的MOSFET元胞（Cell）并联组成，每个单元等效为一个电容和电阻,在单位的面积上，并联的MOSFET元胞越多，MOSFET的导通电阻RDS(ON)就越小。同样的，管芯的面积越大，那么组成MOSFET的元胞也就越多，MOSFET的导通电阻RDS(ON)也就越小。所有单元的G极和S极由内部金属导体连接汇集在芯片表面的某一个位置，然后由导线引出到管脚，这样以G极在管芯汇集处为参考点，其到各个元胞的电阻并不完全一致，离汇集点越远的单元，G极的等效串联电阻就越大。

正是由于串联等效的栅极和源极电阻的分压作用，造成元胞的VGS的电压不一致，从而导致各个元胞电流不一致。在MOSFET开通的过程中，由于栅极电容的影响，会加剧各个元胞电流不一致和元胞的热不平衡。

从如下图2可形象的看出：在开通的过程中，漏极的电流ID在逐渐增大，离栅极管脚距离近的元胞的电压大于离栅极管脚距离远的元胞的电压，VGS电压高的单元，也就是离栅极管脚距离近的元胞，流过的电流大，而离栅极管脚距离较远的元胞，流过的电流小，距离最远地方的元胞甚至可能还没有导通，因而没有电流流过。电流大的元胞，它们的温度升高。

由于在开通的过程中VGS的电压逐渐增大到驱动电压，VGS的电压穿越RDS(ON)的负温度系数区域，此时，那些温度越高的元胞，由于正反馈的作用，所流过的电流进一步加大，元胞温度又进一步上升。如果VGS在RDS(ON)的负温度系数区域工作或停留的时间越大，那么这些元胞就越有过热击穿的可能，造成局部的损坏。

如果VGS从RDS(ON)的负温度系数区域到达RDS(ON)的正温度系数区域时没有形成局部的损坏，此时，在RDS(ON)的正温度系数区域，元胞的温度越高，所流过的电流减小，元胞单元温度和电流形成负反馈，元胞单元自动均流，达到平衡。

相应的，在MOSFET关断过程中，离栅极管脚距离远的元胞的电压降低慢，容易在RDS(ON)的负温度系数区域形成局部的过热而损坏。

图2 MOSFET的内部等效模型

三、适合线性区工作的MOSFET

我们一直在努力通过设计和工艺优化缩小MOSFET元胞的尺寸（提高cell pitch密度），以便在维持给定额定电流的同时减小整体器件的chip size，然而，减小功率MOS的管芯面积可能使器件的温度管理恶化。基本上，期望以热稳定状态操作MOSFET器件。当MOSFET的温度导致通过器件本身的减小电流时，器件是热稳定的。当升高温度导致增大电流时，晶体管器件是热不稳定的。在这种情况下，增大的电流可能进一步升高温度，这可能再次增大电流等现象导致器件的失效。对于给定的MOSFET器件，可能存在电流密度极限，其中器件在高于电流密度极限的电流密度处是热稳定的，并且在低于电流密度极限的电流密度处是热不稳定的。已经观察到，减小功率晶体管的晶体管单元的尺寸经常导致电流密度极限的增大，这相当于其中晶体管器件热不稳定的电流范围的增大。

图3为通用Trench型MOSFET在不同元胞尺寸下，器件完全导通的电流线仿真图，可看到小的元胞尺寸下功率MOSFET局部区域电流线更密集，更容易产生局部的电场集中。SGT屏蔽栅也是同样的模型。因此，新洁能有采取特殊的方法进行优化，研发出适用于在线性区的工作状态下使用的MOSFET，后期有专题介绍此类产品型号。

图3 器件不同原胞尺寸（cell pitch）电流密度

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