Một MOSFET trench 30 V hiện đại có điện trở bật chỉ khoảng 1 mΩ. Để thấy con số đó khó đến mức nào, hãy nhớ rằng một cặp dây đo thông thường đã có điện trở từ 1 tới 10 mΩ. Nếu nối hai dây rồi đọc điện trở, bạn đang đo dây nhiều hơn đo linh kiện. Đo điện trở bật Rds(on) vì thế là bài toán đo điện trở rất nhỏ ở dòng rất lớn, trong khi chính dòng đo lại làm nóng chip và làm thay đổi đại lượng cần đo.
Bài viết trình bày ba trụ cột của một phép đo Rds(on) đúng — nối Kelvin bốn dây, dòng xung ngắn và kiểm soát nhiệt độ mối nối — cùng cách đọc điều kiện đo trong datasheet và cách chọn thiết bị cho từng mức dòng.
Đo điện trở bật Rds(on) là đo cái gì
Rds(on) là điện trở tĩnh giữa máng và nguồn khi MOSFET dẫn hoàn toàn ở một điện áp cổng và một dòng máng xác định. Tiêu chuẩn IEC 60747-8 (bản hợp nhất 3.1, 2021) dành riêng mục 6.3.5 cho phương pháp đo điện trở bật tĩnh rDS(on) hay điện áp bật VDS(on), kèm mạch đo cơ bản; mục 6.3.19 là điện trở bật tín hiệu nhỏ, một đại lượng khác. Phân biệt hai khái niệm này tránh được một nhầm lẫn phổ biến khi đọc báo cáo.
Về JEDEC, tài liệu gốc cho MOSFET công suất là JESD24 (1985, uỷ ban JC-25), hiện vẫn được cung cấp và không bị rút; các phụ lục JESD24-1 tới JESD24-11 đều ở trạng thái tái xác nhận. Tuy nhiên không phụ lục nào dành riêng cho Rds(on) — chúng bàn về điện tích cổng, trở kháng nhiệt, thác lũ, chịu ngắn mạch, điện trở cổng nối tiếp tương đương… Vì vậy, điều kiện đo Rds(on) mà kỹ sư gặp hằng ngày thực chất là quy ước của nhà sản xuất in trong datasheet.
Đọc dòng chú thích nhỏ trong datasheet
Datasheet onsemi MGSF1N03L đặt cả khối đặc tính dẫn — gồm điện trở bật — dưới chú thích “Pulse Test: Pulse Width ≤ 300 µs, Duty Cycle ≤ 2%”. Datasheet Vishay IRF540 cũng gắn dòng RDS(on) với chú thích “Pulse width ≤ 300 μs; duty cycle ≤ 2 %”. Đó là điều kiện để con số trong datasheet có nghĩa: đo bằng dòng liên tục, bạn sẽ không bao giờ lặp lại được giá trị đó. Các bài đo điện dung ký sinh và điện tích cổng trong loạt bài — xem đo Ciss/Coss/Crss và Qg — cũng bắt đầu từ việc đọc đúng điều kiện đo như vậy.
Nối Kelvin bốn dây: tách dây dòng khỏi dây áp
Sổ tay đo mức thấp của Keithley nêu điện trở dây đo điển hình từ 1 mΩ tới 10 mΩ, và khuyến nghị phương pháp bốn dây cho phép đo điện trở nhỏ. Nguyên lý đơn giản: hai dây force mang dòng lớn, hai dây sense đo điện áp gần như không có dòng chạy qua, nên sụt áp trên dây dòng và điện trở tiếp xúc không lọt vào số đo.
Hướng dẫn sử dụng B1505A của Keysight nói rõ: với phép đo điện trở thấp hoặc dòng lớn, dùng nối Kelvin bốn dây — nối đường Force và Sense với nhau càng gần chân linh kiện càng tốt — để triệt ảnh hưởng điện trở dư của cáp và tiếp điểm, vì dòng lớn làm sai số do điện trở cáp tăng theo. Tài liệu B2900C cũng cảnh báo điện trở cáp gây sai số nghiêm trọng khi đo điện trở nhỏ.
Điểm “gần chân” là chỗ nhiều bàn đo thất bại. Với vỏ TO-247 bốn chân, nhà sản xuất tách riêng một chân nguồn phụ — Wolfspeed C3M0060065K ghi Drain / Power Source / Driver Source / Gate, Infineon gọi là kết nối nguồn Kelvin (source sense). Cần lưu ý chân này được thiết kế chủ yếu để tách vòng điều khiển cổng khỏi điện cảm nguồn chung khi đóng cắt; dùng nó làm điểm đặt dây sense cho Rds(on) là một suy luận hợp lý, nhưng hãy ghi rõ vị trí đặt dây sense trong báo cáo, vì chỉ vài milimét chân và mối hàn đã là một phần của con số mili-ôm.
Dòng xung và tự nóng: vì sao phải đo nhanh
Công suất tiêu tán trong phép đo là I²R. Sổ tay Keithley chỉ cách xử lý khi không giảm được dòng: dùng một dòng xung hẹp và vôn kế đáp ứng nhanh. Ghi chú ứng dụng AN11158 của Nexperia giải thích cơ sở vật lý: trở kháng nhiệt phụ thuộc độ dài xung — với xung ngắn, nhiệt dung chiếm ưu thế; với xung dài, nhiệt trở chiếm ưu thế. Xung đủ ngắn giữ nhiệt độ mối nối gần nhiệt độ đặt.
Keysight mô tả phép đo đặc tính dòng máng bằng xung ngắn là cách làm tiêu chuẩn để loại hiệu ứng tự nóng. Với linh kiện dòng lớn, mô-đun UHCU và HVMCU của B1505A có khả năng xung 10 µs chính vì lý do đó. Hai con số giúp hình dung giới hạn thực tế của từng thiết bị:
- B1505A với UHCU: 500 A với độ rộng xung 10 µs – 1 ms (chu kỳ nhiệm vụ ≤ 0,4 %), 1 500 A với 10 – 500 µs (chu kỳ nhiệm vụ ≤ 0,1 %). HCSMU cho xung tối thiểu 50 µs ở dải 20 A.
- B2902C: xung lập trình tối thiểu 50 µs, độ phân giải 1 µs; ở 10,5 A độ rộng xung 50 µs – 1 ms, chu kỳ nhiệm vụ tối đa 2,5 %.
Một chi tiết hay bị bỏ sót: UHCU có điện trở ra danh định 120 mΩ ở dải 500 A và 40 mΩ ở dải 1 500 A, nên điện áp thực tại linh kiện thấp hơn giá trị đặt. Điều này không làm sai Rds(on) nếu đo đúng bốn dây, nhưng giải thích vì sao đọc điện áp phải lấy từ dây sense chứ không phải từ giá trị nguồn cài đặt.
Hệ số nhiệt Rds(on): con số phụ thuộc từng họ linh kiện
Rds(on) của MOSFET luôn có hệ số nhiệt Rds(on) dương. Ghi chú APT0403 của Microchip giải thích: dẫn điện chỉ bằng hạt tải đa số nên hệ số này luôn dương — và đó cũng là lý do MOSFET mắc song song tự cân bằng nhiệt. Toshiba bổ sung rằng độ lớn hệ số phụ thuộc điện áp đánh thủng và công nghệ chế tạo. Về trực giác, độ linh động hạt tải giảm khi nhiệt độ tăng, nên điện trở kênh và vùng trôi tăng theo.
Vì phụ thuộc công nghệ, đừng dùng một “hệ số chung”. Số liệu từ datasheet cụ thể:
- Si siêu tiếp giáp, Infineon IPW65R045C7: điển hình 0,040 Ω ở 25 °C lên 0,096 Ω ở 150 °C — khoảng 2,4 lần.
- Si trench điện áp thấp, Nexperia PSMN1R0-30YLD: tối đa 1,02 mΩ ở 25 °C, 1,7 mΩ ở 150 °C — khoảng 1,67 lần tính trên giá trị tối đa.
- SiC, Wolfspeed C3M0065090D (900 V): điển hình 65 mΩ lên 90 mΩ ở 150 °C — khoảng 1,38 lần. C3M0060065K (650 V): 60 mΩ lên 80 mΩ ở 175 °C.
Hệ quả cho người đo: một phép đo lệch vài chục độ C so với điều kiện datasheet đủ làm Rds(on) sai hàng chục phần trăm với linh kiện Si siêu tiếp giáp. Muốn so với datasheet ở 150 °C, cần một hệ gia nhiệt có kiểm soát; muốn so ở 25 °C, cần xung đủ ngắn để chip không kịp nóng.
Quy trình đo điện trở bật Rds(on) sáu bước
- Đọc điều kiện datasheet: VGS, ID, nhiệt độ, chú thích xung.
- Nối Kelvin bốn dây, đặt điểm sense sát thân linh kiện; ghi vị trí vào báo cáo.
- Đặt cổng trước, rồi mới cấp xung dòng máng; độ rộng xung và chu kỳ nhiệm vụ theo datasheet hoặc ngắn hơn.
- Kiểm tra tự nóng: đo lại với xung ngắn hơn, nếu kết quả thay đổi thì xung ban đầu quá dài.
- Đo ở nhiều nhiệt độ để dựng đường cong hệ số nhiệt, so với đường chuẩn hoá trong datasheet.
- Báo cáo kèm độ không đảm bảo đo và tình trạng hiệu chuẩn của thiết bị.
Chọn thiết bị Keysight cho phép đo điện trở bật Rds(on)
Máy phân tích linh kiện công suất Keysight B1505A là cấu hình cho dải rộng nhất: tới 10 kV (qua bộ N1268A) và 1 500 A (qua UHCU), xung 10 µs, độ phân giải điện trở bật cỡ micro-ôm, đo dòng dưới pA, thử nhiệt tự động từ −50 tới +250 °C. Ghi chú ứng dụng của Keysight nêu khả năng đo Rds(on) tốt hơn 100 µΩ với UHCU, và một ví dụ đo được 1,6 mΩ ở VGS = 10 V trên dải 50–200 A. Các mô-đun HPSMU, MPSMU, HCSMU và MCSMU đều có đầu nối Kelvin. Loạt bài về trích điện áp ngưỡng Vth dùng cùng hệ máy này.
Máy phân tích linh kiện công suất Keysight B1506A hướng tới đánh giá thông số datasheet nhanh: 3 kV và 1 500 A, −50 tới +250 °C, chế độ đặc tính hoá datasheet và điều khiển Thermostream tích hợp; điện trở bật nằm trong danh sách thông số I-V đo được. Đây là lựa chọn hợp lý cho bộ phận kiểm tra đầu vào linh kiện.
Với linh kiện dòng vừa và nhỏ, nguồn-đo chính xác SMU Keysight B2902C hai kênh cho ±210 V, ±3 A một chiều, ±10,5 A xung, đo bốn dây, độ phân giải đo 100 fA và 100 nV. Một kênh cấp cổng, một kênh cấp xung máng và đo áp bốn dây — đủ cho phần lớn MOSFET tín hiệu và công suất nhỏ trong phòng R&D.
Kết luận: mili-ôm đòi hỏi thiết bị được hiệu chuẩn
Đo điện trở bật Rds(on) đúng nghĩa là kiểm soát ba sai số cùng lúc: điện trở dây và tiếp xúc (bằng nối Kelvin), tự nóng (bằng xung ngắn) và nhiệt độ mối nối (bằng hệ gia nhiệt và xung phù hợp). Ở mức mili-ôm, chính độ chính xác của phép đo điện áp và dòng quyết định con số cuối cùng — và ISO/IEC 17025 yêu cầu thiết bị đo phải được hiệu chuẩn khi độ chính xác của nó ảnh hưởng tới giá trị hiệu lực của kết quả.
Techmaster Electronics cung cấp dịch vụ hiệu chuẩn theo ISO/IEC 17025 cho máy phân tích linh kiện, SMU và đồng hồ vạn năng, cùng tư vấn cấu hình bàn đo linh kiện công suất. Liên hệ hotline 0908 173 345.
