完全自保護(hù)MOSFET功率器件分析

為了提高系統(tǒng)可靠性并降低保修成本，設(shè)計(jì)人員在功率器件中加入故障保護(hù)電路，以免器件發(fā)生故障，避免對(duì)電子系統(tǒng)造成高代價(jià)的損害。這通常利用外部傳感器、分立電路和軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是在更多情況下，設(shè)計(jì)人員使用完全自保護(hù)的MOSFET功率器件來(lái)完成。隨著技術(shù)的發(fā)展，MOSFET功率器件能夠以更低的系統(tǒng)成本提供優(yōu)異的故障保護(hù)。

　　圖1顯示了完全自保護(hù)MOSFET的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這些器件常見(jiàn)的其他特性包括狀態(tài)指示、數(shù)字輸入、差分輸入和過(guò)壓及欠壓切斷。高端配置包括片上電荷泵功能。但是，大多數(shù)器件都具備三個(gè)電路模塊，即電流限制、溫度限制和漏-源過(guò)壓箝制，為器件提供大部分的保護(hù)。

　　圖1：完全自保護(hù)MOSFET的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　短路故障

　　最常見(jiàn)也最麻煩的故障可能是短路。這類(lèi)故障有以下幾種形式：負(fù)載間的短路、開(kāi)關(guān)間的短路或電源接地的短路。而且，這些短路器件啟動(dòng)和關(guān)閉時(shí)都會(huì)發(fā)生。由于短路故障通常是間歇性，即使在很短時(shí)間中就存在多種形式，使問(wèn)題更為棘手。

　　然而，如果短路是間歇性、負(fù)載為電感的情況下，電流中斷將在MOSFET上產(chǎn)生一個(gè)反激（flyback）電壓。根據(jù)短路持續(xù)的時(shí)間和電阻，負(fù)載電感中的峰值電流可能會(huì)高于正常工作時(shí)的峰值電流。因此，器件比預(yù)期吸收更多的能量，而且多個(gè)間歇性短路事件的快速連續(xù)發(fā)生會(huì)導(dǎo)致峰值結(jié)溫急劇升高，從而對(duì)器件產(chǎn)生潛在的破壞性。

　　
過(guò)溫故障

　　其他故障包括器件引腳的靜電放電（ESD）、線(xiàn)路瞬流或電感負(fù)載開(kāi)關(guān)引起的過(guò)壓，還有就是過(guò)熱。簡(jiǎn)言之，ESD就是電荷的快速中和，電子工業(yè)每年花在這上面的費(fèi)用有數(shù)十億美元之多。我們知道所有的物質(zhì)都由原子構(gòu)成，原子中有電子和質(zhì)子。當(dāng)物質(zhì)獲得或失去電子時(shí)，它將失去電平衡而變成帶負(fù)電或正電，正電荷或負(fù)電荷在材料表面上積累就會(huì)使物體帶上靜電。電荷積累通常因材料互相接觸分離而產(chǎn)生，也可由摩擦引起，稱(chēng)為摩擦起電。

　　有許多因素會(huì)影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會(huì)不斷積累，直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達(dá)到足夠的強(qiáng)度可以擊穿周?chē)镔|(zhì)為止。電介質(zhì)被擊穿后，靜電電荷會(huì)很快得到平衡，這種電荷的快速中和就稱(chēng)為靜電放電。由于在很小的電阻上快速泄放電壓，泄放電流會(huì)很大，可能超過(guò)20安培，如果這種放電通過(guò)集成電路或其他靜電敏感元件進(jìn)行，這么大的電流將對(duì)設(shè)計(jì)為僅導(dǎo)通微安或毫安級(jí)電流的電路造成嚴(yán)重?fù)p害。

　　由于有源元件（MOSFET門(mén)極氧化物接口除外）已與門(mén)極輸入引腳連接，因此漏極與源極之間短路時(shí)，此引腳的泄漏電流（50-100uA）比標(biāo)準(zhǔn)MOSFET泄漏電流的測(cè)量值（ 《 50nA）大三個(gè)數(shù)量級(jí)。泄漏電流的增加通常不會(huì)對(duì)門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生影響，但是，門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路必須能夠在電流限制或熱關(guān)機(jī)故障情況下驅(qū)動(dòng)足夠大的電流。在過(guò)流和過(guò)溫故障的情況下，器件一般將功率MOSFET門(mén)極節(jié)點(diǎn)電壓下拉至接近飽和的工作門(mén)限電壓或零伏，以完全關(guān)閉器件。

　　通常門(mén)極輸入引腳和功率MOSFET門(mén)極節(jié)點(diǎn)之間存在一個(gè)串聯(lián)電阻Rs，所以吸收的輸入電流大約等于（Vin-Vgate）/Rs。器件通常在結(jié)溫超過(guò)預(yù)設(shè)限制溫度時(shí)關(guān)閉。在這種情況下，Vgate=0伏，所以在過(guò)溫故障時(shí)必須產(chǎn)生一個(gè)等于Vin/Rs的最小源極電流。否則，內(nèi)部門(mén)極下拉電路將無(wú)法關(guān)閉功率場(chǎng)效應(yīng)管，使其結(jié)溫可能達(dá)到產(chǎn)生破壞作用的水平。

　　過(guò)溫保護(hù)

　　通常過(guò)溫保護(hù)是通過(guò)對(duì)主功率MOSFET有源區(qū)域的溫敏器件設(shè)置偏壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。若這些元件偵測(cè)到芯片結(jié)溫超過(guò)過(guò)溫設(shè)定值時(shí)，電路將主功率MOSFET門(mén)極拉至地，關(guān)閉該器件。圖2顯示安森美的NIF5022N器件短路電流和時(shí)間響應(yīng)之間的關(guān)系。在其它器件中，若檢測(cè)到過(guò)溫故障情況，電流將鎖存，而輸入引腳必須固定對(duì)鎖存進(jìn)行復(fù)位。

　　在過(guò)溫故障情況下，必須考慮兩個(gè)主要問(wèn)題。首先，溫度限制關(guān)斷電路通常與電流限制電路協(xié)同工作，即電流限制電路將門(mén)極節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)至接近閾值電壓來(lái)使器件進(jìn)入飽和工作模式，以便保持電流限制設(shè)定點(diǎn)。對(duì)于采用熱滯后電路讓零件在過(guò)溫故障情況下循環(huán)導(dǎo)通和關(guān)閉的器件，結(jié)溫將穩(wěn)定在滯后電路高低設(shè)定點(diǎn)之間的溫度。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)器件的可靠性下降變成一個(gè)受重視的問(wèn)題時(shí)，別指望在故障情況下該器件工作幾千小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間。

　　圖2：NIF5022N器件短路電流和時(shí)間響應(yīng)之間的關(guān)系。

　　更切合實(shí)際的考慮是，當(dāng)應(yīng)用電路在故障情況下將門(mén)極輸入循環(huán)地打開(kāi)并關(guān)閉，使結(jié)溫可以在過(guò)溫事件之間的這段時(shí)間中進(jìn)行冷卻。在這種情況下，器件進(jìn)入內(nèi)部熱循環(huán)，器件承受的熱循環(huán)數(shù)量有一定的限制。循環(huán)的次數(shù)與許多因素有關(guān)，包括結(jié)溫幅度差、溫度偵測(cè)布局和電路設(shè)計(jì)、硅結(jié)構(gòu)、封裝技術(shù)等。設(shè)計(jì)人員必須清楚應(yīng)用電路是否可以在短路或其他激發(fā)過(guò)溫保護(hù)故障情況下對(duì)受保護(hù)的MOSFET進(jìn)行循環(huán)，然后評(píng)估器件在這些情況下的可靠性。這種故障模式分析可省去昂貴的場(chǎng)回路。

　　第二個(gè)問(wèn)題涉及到當(dāng)過(guò)溫保護(hù)無(wú)效、隨后可能發(fā)生器件故障時(shí)器件的工作情況。當(dāng)關(guān)閉電感負(fù)載時(shí)，器件必須吸收存儲(chǔ)在負(fù)載電感中的能量。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的MOSFET，這種工作模式稱(chēng)為非箝制感應(yīng)開(kāi)關(guān)（UIS）。在UIS事故中，器件的漏-源硅結(jié)處于雪崩狀態(tài)，器件產(chǎn)生大量功耗。自保護(hù)的MOSFET可能遭受同樣的情況，因?yàn)楫?dāng)門(mén)極輸入電壓對(duì)控制電路進(jìn)行偏置時(shí)，由于門(mén)極偏置為零，過(guò)溫限制電路處于無(wú)效狀態(tài)。即使出現(xiàn)最高能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時(shí)間讓結(jié)溫冷卻到初始結(jié)溫。否則，結(jié)溫在每個(gè)能量脈沖之后升高，最終達(dá)到內(nèi)部故障溫度。

　　若過(guò)溫限制電路在電感負(fù)載關(guān)閉的情況下偏置，由于大多數(shù)自保護(hù)MOSFET采用有源過(guò)壓箝制，過(guò)溫保護(hù)可能仍處于無(wú)效狀態(tài)。有源箝制電路中的關(guān)鍵元件是位于主功率MOSFET門(mén)極和漏極連接之間的背靠背串聯(lián)齊納二極管。以此種狀態(tài)堆棧的齊納二極管的設(shè)計(jì)電壓小于主功率MOSFET漏-源結(jié)的雪崩電壓。在主功率MOSFET門(mén)極產(chǎn)生接近閾值的電壓，使MOSFET以正激線(xiàn)性工作模式傳導(dǎo)負(fù)載電流。在有源箝制工作模式下切換電感負(fù)載時(shí)，這些行為使器件具備更強(qiáng)的能量處理能力。有源箝制由于具有上述特性，故經(jīng)常在其它故 障保護(hù)動(dòng)作之前執(zhí)行。設(shè)計(jì)人員必須確保器件能夠吸收在最壞情況下所有可能的電感能量。