完全自保护MOSFET功率器件分析

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为了提高系统可靠性并降低保修成本，设计人员在功率器件中加入故障保护电路，以免器件发生故障，避免对电子系统造成高代价的损害。这通常利用外部传感器、分立电路和软件来实现，但是在更多情况下，设计人员使用完全自保护的MOSFET功率器件来完成。随着技术的发展，MOSFET功率器件能够以更低的系统成本提供优异的故障保护。
       
        图1显示了完全自保护MOSFET的一般拓扑结构。这些器件常见的其他特性包括状态指示、数字输入、差分输入和过压及欠压切断。高端配置包括片上电荷泵功能。但是，大多数器件都具备三个电路模块，即电流限制、温度限制和漏-源过压箝制，为器件提供大部分的保护。

       
       
        图1：完全自保护MOSFET的一般拓扑结构。

         
        短路故障
       
        最常见也最麻烦的故障可能是短路。这类故障有以下几种形式：负载间的短路、开关间的短路或电源接地的短路。而且，这些短路器件启动和关闭时都会发生。由于短路故障通常是间歇性，即使在很短时间中就存在多种形式，使问题更为棘手。
       
        然而，如果短路是间歇性、负载为电感的情况下，电流中断将在MOSFET上产生一个反激（flyback）电压。根据短路持续的时间和电阻，负载电感中的峰值电流可能会高于正常工作时的峰值电流。因此，器件比预期吸收更多的能量，而且多个间歇性短路事件的快速连续发生会导致峰值结温急剧升高，从而对器件产生潜在的破坏性。
       
        过温故障
       
        其他故障包括器件引脚的静电放电（ESD）、线路瞬流或电感负载开关引起的过压，还有就是过热。简言之，ESD就是电荷的快速中和，电子工业每年花在这上面的费用有数十亿美元之多。我们知道所有的物质都由原子构成，原子中有电子和质子。当物质获得或失去电子时，它将失去电平衡而变成带负电或正电，正电荷或负电荷在材料表面上积累就会使物体带上静电。电荷积累通常因材料互相接触分离而产生，也可由摩擦引起，称为摩擦起电。
       
        有许多因素会影响电荷的积累，包括接触压力、摩擦系数和分离速度等。静电电荷会不断积累，直到造成电荷产生的作用停止、电荷被泄放或者达到足够的强度可以击穿周围物质为止。电介质被击穿后，静电电荷会很快得到平衡，这种电荷的快速中和就称为静电放电。由于在很小的电阻上快速泄放电压，泄放电流会很大，可能超过20安培，如果这种放电通过集成电路或其他静电敏感元件进行，这么大的电流将对设计为仅导通微安或毫安级电流的电路造成严重损害。
       
        由于有源元件（MOSFET门极氧化物接口除外）已与门极输入引脚连接，因此漏极与源极之间短路时，此引脚的泄漏电流（50-100uA）比标准MOSFET泄漏电流的测量值（《50nA）大三个数量级。泄漏电流的增加通常不会对门极驱动电路产生影响，但是，门极驱动电路必须能够在电流限制或热关机故障情况下驱动足够大的电流。在过流和过温故障的情况下，器件一般将功率MOSFET门极节点电压下拉至接近饱和的工作门限电压或零伏，以完全关闭器件。
       
        通常门极输入引脚和功率MOSFET门极节点之间存在一个串联电阻Rs，所以吸收的输入电流大约等于（Vin-Vgate）/Rs.器件通常在结温超过预设限制温度时关闭。在这种情况下，Vgate=0伏，所以在过温故障时必须产生一个等于Vin/Rs的最小源极电流。否则，内部门极下拉电路将无法关闭功率场效应管，使其结温可能达到产生破坏作用的水平。
        过温保护
         
        通常过温保护是通过对主功率MOSFET有源区域的温敏器件设置偏压来实现的。若这些元件侦测到芯片结温超过过温设定值时，电路将主功率MOSFET门极拉至地，关闭该器件。图2显示安森美的NIF5022N器件短路电流和时间响应之间的关系。在其它器件中，若检测到过温故障情况，电流将锁存，而输入引脚必须固定对锁存进行复位。
       
        在过温故障情况下，必须考虑两个主要问题。首先，温度限制关断电路通常与电流限制电路协同工作，即电流限制电路将门极节点驱动至接近阈值电压来使器件进入饱和工作模式，以便保持电流限制设定点。对于采用热滞后电路让零件在过温故障情况下循环导通和关闭的器件，结温将稳定在滞后电路高低设定点之间的温度。一般来说，当器件的可靠性下降变成一个受重视的问题时，别指望在故障情况下该器件工作几千小时或更长时间。

       
       
        图2：NIF5022N器件短路电流和时间响应之间的关系。

         
        更切合实际的考虑是，当应用电路在故障情况下将门极输入循环地打开并关闭，使结温可以在过温事件之间的这段时间中进行冷却。在这种情况下，器件进入内部热循环，器件承受的热循环数量有一定的限制。循环的次数与许多因素有关，包括结温幅度差、温度侦测布局和电路设计、硅结构、封装技术等。设计人员必须清楚应用电路是否可以在短路或其他激发过温保护故障情况下对受保护的MOSFET进行循环，然后评估器件在这些情况下的可靠性。这种故障模式分析可省去昂贵的场回路。
       
        第二个问题涉及到当过温保护无效、随后可能发生器件故障时器件的工作情况。当关闭电感负载时，器件必须吸收存储在负载电感中的能量。对于标准的MOSFET，这种工作模式称为非箝制感应开关（UIS）。在UIS事故中，器件的漏-源硅结处于雪崩状态，器件产生大量功耗。自保护的MOSFET可能遭受同样的情况，因为当门极输入电压对控制电路进行偏置时，由于门极偏置为零，过温限制电路处于无效状态。即使出现最高能量额定值，能量脉冲之间必须有足够的时间让结温冷却到初始结温。否则，结温在每个能量脉冲之后升高，最终达到内部故障温度。
       
        若过温限制电路在电感负载关闭的情况下偏置，由于大多数自保护MOSFET采用有源过压箝制，过温保护可能仍处于无效状态。有源箝制电路中的关键元件是位于主功率MOSFET门极和漏极连接之间的背靠背串联齐纳二极管。以此种状态堆栈的齐纳二极管的设计电压小于主功率MOSFET漏-源结的雪崩电压。在主功率MOSFET门极产生接近阈值的电压，使MOSFET以正激线性工作模式传导负载电流。在有源箝制工作模式下切换电感负载时，这些行为使器件具备更强的能量处理能力。有源箝制由于具有上述特性，故经常在其它故障保护动作之前执行。设计人员必须确保器件能够吸收在最坏情况下所有可能的电感能量。