線性MOSFET則是線性模式應用的最合適選擇，能夠確保可靠運作。然而，用于線性模式應用時，標準MOSFET容易產生電熱不穩定性(electro-thermal instability, ETI)，可能導致器件損壞。A類音頻放大器、有源DC-link放電、電池充放電、浪涌電流限制器、低壓DC電機控制或電子負載等線性模式應用要求功率 MOSFET 器件在電流飽和區域內工作。
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作者：Littelfuse產品營銷總監José Padilla、高級首席研發人員Vladimir Tsukanov和產品營銷工程師Aalok Bhatt
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了解線性模式運作以及為什么需要它
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在功率 MOSFET 的線性工作模式，高電壓和高電流同時出現，因此通常MOSFET的功率消耗水平高于較常見的開關模式應用[1]。
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圖 1顯示歐姆區域、非線性區域以及飽和(或有源)區域，這三個不同的區域代表了功率MOSFET的輸出特性。
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有源區域：MOSFET 溝道由于多數電荷載流子而飽和。在該區域中，ID獨立于VDS。ID僅由VGS控制，并且對于任何給定VDS保持恒定。換言之，MOSFET表現出恒定current sink的特征。

非線性區域：MOSFET的電阻呈現非線性行為，ID隨著VDS而增加的速度減慢。

歐姆區域：對于給定柵源電壓VGS，漏極電流ID與漏源電壓VDS成正比。MOSFET在此運作模式下充當電阻器，數值等于其導通電阻RDS(ON)。

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圖1：功率MOSFET輸出特性
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標準MOSFET 不適合線性模式運作
當功率生成速率高于功率耗散速率時，線性模式下較大的功率耗散PD會引起電熱不穩定性(electro-thermal instability, ETI)，可以理解為功率 MOSFET強制進入線性運作模式。通常，MOSFET 晶圓邊緣(芯片焊接到功率封裝之安裝片的位置)的溫度低于管芯中心的溫度，這是橫向熱流的結果。在實踐中，功率 MOSFET的晶圓結溫Tvj并不均勻。雖然芯片溫度變化在開關模式運作中大多是無害的，但在線性模式運作中，這些溫度變化會引發災難性故障。表面上的正反饋破壞機制帶來的結果：
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結溫 Tvj局部升高

由于負溫度系數，提高芯片溫度會導致柵極閾值電壓VGSTH局部降低

降低閾值電壓引起了局部電流密度JDS增加，使得?

電流密度的增加導致局部功率耗散增加，從而引起結溫進一步局部升高

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MOSFET 等效電路包含寄NPN晶體管，其本身由 n 和 p 摻雜區域序列形成，如圖 2 所示。根據功率脈沖的持續時間、傳熱條件和 MOSFET 單元的設計，ETI 可能會引起漏電流集中產生線電流并形成熱點，電流通過Rw，產生壓降，這通常會導致受影響區域中的 MOSFET 單元失去柵極控制并開啟寄生晶體管，隨后損壞器件[2]。
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圖 2：MOSFET 等效電路

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Littelfuse的線性 MOSFET產品組合

Littelfuse開發了一系列功率 MOSFET 結構和工藝，稱為線性 MOSFET L和L2系列[5]，通過消除正反饋環路而提供擴展的正向偏置安全工作區(FBSOA)，以應對 ETI 引起的問題。線性L和線性L2 MOSFET 系列的主要區別在于工作電壓和通道電阻RDS(ON)。
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這些器件的設計特點是晶體管單元非均勻分布，以及單元具有不同閾值電壓 [3]。為了使晶體管在極端電應力條件下也不會開啟，各個單元的寄生晶體管均采用高度旁路設計。每個晶體管單元的源極都設計有一個鎮流電阻，以限制其電流。
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采用這種方式設計的線性 MOSFET 通過抑制導致電熱不穩定性(ETI)的正反饋，實現擴展FBSOA功能 [4]。
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Littelfuse 的線性 MOSFET器件采用多種分立封裝，具有寬泛的電壓和電流范圍，如表 1 所示。線性MOSFET沒有特殊的柵極驅動要求。IXYS柵極驅動器系列 IXD_604適合這項用途，采用標準 8 引腳 DIP、8 引腳 SOIC、帶有裸露金屬背面的8 引腳功率SOIC和 8 引腳 DFN (D2) 封裝供貨。
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表1：Littelfuse線性MOSFET產品組合

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線性 MOSFET相比標準 MOSFET 更適合線性模式應用

正向偏置安全工作區 (FBSOA) 是定義最大允許工作點的數據表品質因數(FOM)，在 FBSOA限制范圍內運作對于MOSFET 的安全運作是非常重要的。典型FBSOA特性受到RDS(ON)限制線、電流限制線、功率限制線和電壓限制線的約束，如圖3所示。
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比較標準 MOSFET 和線性 MOSFET 的數據表，可見線性 MOSFET 具有擴展的 FBSOA范圍。對于任何給定脈沖寬度，最大功率處理點都朝向電壓限制線移動，見圖3。鑒于線性模式運作的典型性質，要求器件具有高功耗。線性 MOSFET相比標準 MOSFET 更適合線性模式應用。因為與標準 MOSFET 相比，在 25μs、100μs、1ms、10ms 脈沖寬度和連續工作(DC)模式下，線性 MOSFET能夠處理的功率分別高出24%、31%、48%、73% 和 118%。
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圖 3：數據表 FBSOA 比較：標準MOSFET IXTH30N60P對比線性 MOSFET IXTH30N60L2

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應用示例：電子負載

電子負載是一種吸收電流的測試儀器，通常用于測試各種負載條件下的 DC-DC 轉換器、燃料電池、電池、太陽能電池板或電源等電源設備。圖4表示電子負載的簡化示意圖。DUT通過控制電壓Vcontrol設定點加載所需的電流。線性MOSFET(S1、S2、 ... Sn)用作調節通過負載的電流的可變電阻器。MOSFET 通常并聯排列以適應更高的功率。除了線性 MOSFET 和柵極驅動器，Littelfuse 還提供電子負載中常見的附加組件。如圖 ４所示，快速熔斷器(F1、F2、…Fn)、單向和雙向瞬態電壓抑制器(TVS、TVS1、TVS2、…TVSn)和用于半導體溫度監測的 NTC器件(NTC1、NTC2、… NTCn)，這些均是 Littelfuse 產品組合中的產品[5]。
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圖４：基于線性MOSFET的電子負載的簡化原理圖

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Littelfuse 線性 MOSFET優于競爭MOSFET

在線性模式應用中，MOSFET通常以 10ms 或更長的脈沖寬度在低頻下工作。1500V 2A的線性MOSFET IXTH2N150L 采用TO-247 封裝器件，是最流行的電子負載應用器件之一。我們在實驗室中將這款器件與最接近競爭器件1500V 2.5A TO-247封裝元件進行了測試和比較。
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我們使用的FBSOA 測量裝置包括一個生成用于測量的功率脈沖的設備、安裝在銅散熱器上的被測設備 (DUT) 和一個用于測量外殼溫度TC的熱電偶，如圖 5a 所示。在兩個 DUT上，使用不同脈沖寬度來測量器件可以承受的最大功率，圖5b 顯示了兩款器件在使用各種脈沖寬度下的最大功率承受能力方面的定量比較。我們可以觀察到，與競爭器件比較，Littelfuse 器件能夠處理的功率明顯更高，尤其是對于 ≥10ms 的長脈沖寬度和連續運行狀況。這種穩健的性能可以為線性模式應用帶來更高的整體系統可靠性。

圖5a：FBSOA測量的實驗室設置
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圖5b：Littelfuse線性MOSFET與競爭器件對比

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Littelfuse是業界最可靠的合作伙伴，我們在線性模式應用的整個價值鏈中提供線性MOSFET、柵極驅動器、高速保險絲、TVS 二極管和溫度傳感解決方案等主要組件。Littelfuse所有線性器件都經過 100% 測試，以保證 FBSOA性能、部件的長期可用性，并且由于低結殼熱阻RthJC而具有高功耗能力。
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參考文獻
[1] Baliga, B. Jayant，“功率半導體器件基礎”，Springer，2008 年。
[2] 白皮書：“MOSFET耐受線性模式運作壓力”，
https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors/discrete-mosfets/n-channel-linear.aspx
?[3] Zommer, Tsukanov，“非均勻功率半導體和制造非均勻功率半導體的方法”，美國專利號US 7157338 B2，2007 年 1 月
[4] Zommer, Tsukanov，“非均勻功率半導體器件”，美國專利號 US 6710405 B2，2004年3月。
[5] 在https://www.littelfuse.com/products.aspx上的Littelfuse 產品
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