A類音訊放大器、主動式DC-link放電、電池充放電、浪湧電流限制器、低電壓直流馬達控制或電子負載等線性模式應用，都要求功率MOSFET元件在電流飽和區內運行。標準MOSFET用於線性模式應用時容易產生電熱不穩定性(Electro-Thermal Instability, ETI)，進而可能導致元件損壞，線性MOSFET是線性模式應用最合適的選擇，能確保可靠的運作。
線性模式運作方式
功率MOSFET的輸出特性可分為三個不同的區域，即歐姆(Ohm)區、非線性區以及飽和或稱主動區。在歐姆區中，對於給定柵源電壓VGS，漏極電流ID與漏源電壓VDS成正比。MOSFET在這種工作模式下充當電阻器，數值等於其導通電阻RDS(on)。在非線性區，MOSFET的電阻呈現非線性行為，ID隨著VDS而增加的速度減慢。在主動區，MOSFET溝道由於有多數電荷載流子而飽和。在該區域中，ID獨立於VDS，ID僅由VGS控制，並且對於任何給定VDS保持恆定。換句話說，MOSFET表現出恆定電流吸收器的行為，這種工作模式通常稱為功率MOSFET的線性工作模式。在這種工作模式下，由於同時出現高電壓和高電流，通常MOSFET的功率消耗水準高於較常見的開關模式應用(圖1)。
標準MOSFET不適合線性模式
實際上，功率MOSFET的管芯結溫Tvj並不均勻。通常MOSFET裸晶邊緣(晶片焊接到功率封裝之安裝片的位置)的溫度低於裸晶中心的溫度，這是橫向熱流的結果。晶片溫度變化在開關模式運作中大多是無害的。然而，這些溫度變化會在線性模式工作中引發災難性故障。當功率生成速率高於功率耗散速率時，線性模式下較大的功率耗散PD會引起電熱不穩定性。ETI可以理解為功率MOSFET強制進入線性運作模式，表面上的正回饋破壞機制帶來的結果：
・結溫Tvj局部升高
・由於負溫度係數，提高晶片溫度會導致閘極臨界值電壓VGSTH局部降低
・降低臨界值電壓引起了局部電流密度JDS增加，使得JDS~(VGS – VGSTH)2
・電流密度的增加導致局部功率耗散增加，進而引起結溫進一步局部升高
圖2顯示MOSFET等效電路包含寄生的NPN電晶體，其本身由n和p摻雜區序列形成。根據功率脈衝的持續時間、傳熱條件和MOSFET單元的設計，ETI可能會導致所有漏極電流集中到電流燈絲中並形成熱點。這通常會導致受影響區域中的MOSFET單元失去閘極控制，並開啟寄生電晶體，隨後造成元件的損壞。
線性MOSFET解決ETI問題
有廠商Littelfuse為了應對ETI引起的問題，開發了一系列功率MOSFET結構和製程，透過消除正回饋環路而提供擴展的正向偏置安全工作區(FBSOA)。而在該MOSFET組合中，這些元件被稱為線性MOSFET L和L2系列。其設計特點是電晶體單元非均勻分布，以及具有不同臨界值電壓的單元。每個電晶體單元的源極都設計有一個鎮流電阻，以限制其電流。各個單元的寄生電晶體均採用高度旁路設計，因此即使在極端電應力條件下電晶體也不會開啟。
採用這種方式設計的線性MOSFET透過抑制導致電熱不穩定性(ETI)的正回饋，實現擴展FBSOA功能，其中表1顯示線性MOSFET元件採用多種分立封裝，提供寬泛的電壓和電流範圍。線性L和線性L2 MOSFET系列的主要區別在於工作電壓和通道電阻RDS(on)，線性MOSFET沒有特殊的閘極驅動要求。IXYS閘極驅動器系列IXD_604適合這項用途，它採用標準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。
標準與線性MOSFET之間對比
FBSOA是定義最大允許工作點的規格表評量指標(FOM)，在FBSOA限制範圍內運行對於MOSFET的安全操作是非常重要的，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。比較標準MOSFET和線性MOSFET的規格表，很明顯線性MOSFET具有擴展的FBSOA範圍。從圖3可以看出，對於任何給定脈衝寬度，最大功率處理點都朝向電壓限制線移動。鑒於線性模式工作的典型性質，要求元件具有高功耗。通過比較兩者的FBSOA，與標準MOSFET相比，在25μs、100μs、1毫秒(ms)、10ms脈衝寬度和連續工作(DC)模式下，線性MOSFET能夠分別處理高出24%、31%、48%、73%和118%的功率。因此，線性MOSFET比標準MOSFET更適合線性模式應用。
線性與其它MOSFET比較結果
在線性模式應用中，MOSFET通常以10ms或更長的脈衝寬度在低頻下工作。線性MOSFET IXTH2N150L是一款1,500V 2A TO-247封裝元件，該產品是電子負載應用中最受歡迎的元件之一。在實驗室中將這款元件與其他相似的封裝元件1,500V 2.5A TO-247進行測試和比較。就圖4a所示，FBSOA測量裝置包括一個產生用於測量的功率脈衝的設備、安裝在銅散熱器上的被測設備(DUT)和一個用於外殼溫度TC測量的熱電偶。在兩個DUT上，使用不同脈衝寬度來測量元件可以承受的最大功率，圖4b顯示了兩款元件在使用各種脈衝寬度下的最大功率承受能力方面的定量比較。可以觀察該元件能夠處理的功率明顯高於競爭元件，特別是在長脈衝寬度大於或等於10ms和連續工作時。這種穩健的性能可為線性模式應用提高整體系統可靠性。
負載測試電子負載元件不可少
電子負載是吸收電流的測試儀器，通常用於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。DUT通過控制電壓Vcontrol設定點載入所需的電流。線性MOSFET(S1、S2、…、Sn)用作調節通過負載電流的可變電阻器。MOSFET通常並聯以適應更高的功率。Littelfuse除了提供線性MOSFET和閘極驅動器，還提供電子負載中常見的附加元件，如圖5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)和用於半導體溫度監測的NTC元件(NTC1、NTC2、…、NTCn)。
線性模式應用要求功率MOSFET在電流飽和區內工作。標準MOSFET在線性模式應用中使用時容易產生ETI，因此可能導致元件損壞。線性MOSFET是最適合線性模式應用的解決方案，能夠確保可靠運行。本文比較線性MOSFET與最相近其他元件的FBSOA特性，結果顯示該元件具有優良的功率處理能力。
(本文作者José Padilla為Littelfuse產品行銷總監、Aalok Bhatt為產品行銷工程師、Vladimir Tsukanov為資深首席研發人員)
