Alan Ball，安森美半导体公司应用工程经理
MOSFET是一种正温度系数器件，这是一个长期被人们公认的事实。这意味着当器件温度增加时其电阻亦相应增加，同时高温会导致低电流。
这在需要MOSFET并联工作时很重要，因为通过器件间良好的热通道，正温度系数可减少较热器件中的电流，并迫使电流更多地流向温度较低的器件，从而避免出现热失控。
在使用功率MOSFET时，我们倾向于将它看成是一个单独的功率晶体管，但实际上却有数千个微型功率FET单元并联在一起工作；而在电流共享方面，正温度系数MOSFET亦采用相同的并联方式。在这种情况下，单元间的热通道要大大优于单独封装器件的通道，因为所有单元全都位于同一块芯片上。
随着一部分单元电流密度的增加，它们开始变热，而这反过来又使其电阻率增大并迫使电流流向邻近的单元，这能使器件的热梯度系数最小并避免产生热点。这就是并联单元阵列能可靠工作的基本物理原理。
如果MOSFET具有负温度系数，则今天所采用的并联单元结构将引起严重的可靠性问题。事实上，也存在一些温度系数为负的工作模式，对于这种现象人们已经有讨论[1]，而且只要看一下FET器件的跨导曲线即能很容易认识到这一点。
通过对一组典型跨导曲线的观察，可以很清楚地看到这一效果。以下是在热插拔应用中所采用的三种典型器件及其跨导曲线。
图1，安森美半导体公司的 NTD12N10 图2，国际整流器公司（International Rectifier的IRF530）
图3，仙童公司（Fairchild）的HUF75631SK8 图4，典型跨导曲线
以上三种器件都拥有一个共同的特点，即其跨导曲线上都存在一个拐点，在这一点上器件的温度系数为零；在栅源电压（Vgs）大于拐点电压的点上温度系数为正，而在小于拐点电压的点上，温度系数为负。
图4为温度系数从负变为正的示意图。在Vgs大于拐点电压（Vgs+）的点上，温度系数为正。在此栅极电压上，漏极吸取的电流超过9A，而当温度上升到125°C时，这一电流值下降到小于7A，如图左边的箭头所示，图中显示温度增加使电流减小。
当栅源电压小于拐点电压（Vgs+）时，温度系数为负。在-40°C时，漏极电流接近于零，但当温度升高到125°C时，漏极电流超过1A。如图左边的箭头所示，温度增加使电流增大。
这意味着当FET的Vgs值处于拐点电压以下时，就可能会发生热失控。因为此时当一个或一组单元的温度比周围单元的温度高时，它们倾向于传导更多的电流，而这反过来会使其温度变得更高--这又将使其传导更多的电流。因此这些单元将传导大部分的电流，如果在时间上不加以限制，则可能使器件损坏。
这类似于发生在双极型晶体管内的次级击穿，只是双极结晶体管是一种单独的器件，可以采取相应的措施来避免损坏。而功率MOSFET却在一块芯片上集成了数千个并联器件，因此不可能对其逐个进行保护。
在很低的电流限制设置下使用大功率器件，就有可能产生热失控。尽管在热插拔这样的应用上使用大功率MOSFET同时又将其限制在较低的电流上看起来似乎很理想，但这不是最好的解决方法。虽然使用极低Rdson的器件可使系统在稳态工作时功耗极低，但当有短路或过载发生时器件也更容易损坏。
已有一些克服这些问题的方法。一种是对MOSFET的芯片温度进行直接检测，这可通过采用单片集成方案来将MOSFET与控制器集成在一起而实现，而这正是ON Semiconductor公司在其热插拔IC新产品线上所采用的方案。在此情况下，可对FET芯片上的温度进行直接检测。但芯片上的温度检测元件的位置对于能否有效保护器件非常关键，如果芯片上的热点离检测位置太远，则器件就不可能保护它自己。
分立热插拔控制器可采用多种保护方案，如果控制器可在一种恒流模式下工作，则只存在热不稳定性这一个问题。有些保护电路在一些条件（指示危险工作区域）被满足时，采取简单地关断MOSFET开关的方法。而运用恒流保护方法的控制器则可使用定时器或其他方法，再加上电流限制电路来减少器件发生故障的风险。
由于系统效率是一项重要参数，因此诱使人们使用可能的功率最大的MOSFET来提高系统效率。但重要的是要记住，如果设计者不注意可能存在的热不稳定性，则在采用此方法时可能会以牺牲系统可靠性作为代价。如果处理适当，则大功率器件也能在低电流限制水平上可靠地使用。
[1] Thermal Instability of Low Voltage Power-MOSFET's. IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 15, No. 3, May 2000, Alfio Consoli et al.
摘自《END技术》
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