汽車電子系統(tǒng)使用自保護MOSFET需考慮的因素

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

在過溫故障情況下，必須考慮兩個主要問題。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極節(jié)點驅(qū)動至接近閾值電壓來使器件進入飽和工作模式，以便保持電流限制設(shè)定點。在負載間短路的情況下，這意味著在通過高電流時，功率MOSFET上的壓降接近電源電壓。這種高功率情況很快地引起過溫故障。對于采用熱滯后電路讓零件在過溫故障情況下循環(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)定點之間的溫度。這與高溫可靠性測試類似，都取決于器件在故障情況下的工作時間。一般來說，當器件的可靠性下降變成一個受重視的問題時，別指望在故障情況下該器件工作幾千小時或更長時間。

更切合實際的考慮是，當應(yīng)用電路在故障情況下將門極輸入循環(huán)地打開并關(guān)閉，使結(jié)溫可以在過溫事件之間的這段時間中進行冷卻。在這種情況下，器件進入內(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、溫度偵測布局和電路設(shè)計、硅結(jié)構(gòu)、封裝技術(shù)等。設(shè)計人員必須清楚應(yīng)用電路是否可以在短路或其他激發(fā)過溫保護故障情況下對受保護的MOSFET進行循環(huán)，然后評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回路。

第二個問題涉及到當過溫保護無效、隨后可能發(fā)生器件故障時器件的工作情況。當關(guān)閉電感負載時，器件必須吸收存儲在負載電感中的能量。對于標準的MOSFET，這種工作模式稱為非箝制感應(yīng)開關(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(大小取決于雪崩電壓和峰值電流值)。當MOSFET吸收的能量使結(jié)溫超過硅結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度(一般超過300℃)時，UIS事故的普通故障模式將發(fā)生。當結(jié)溫超過內(nèi)部溫度時，器件不再像一個半導(dǎo)體，門極控制出錯，而且器件會快速毀壞，除非漏極電源功率立即消失。自保護的MOSFET可能遭受同樣的情況，因為當門極輸入電壓對控制電路進行偏置時，由于門極偏置為零，過溫限制電路處于無效狀態(tài)。在正常工作和最壞的故障情況下(如器件間歇性短路的情況)，電路設(shè)計人員必須確保器件吸收的能量不超過最大額定值。另外，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間讓結(jié)溫冷卻到初始結(jié)溫。否則，結(jié)溫在每個能量脈沖之后升高，最終達到內(nèi)部故障溫度。

若過溫限制電路在電感負載關(guān)閉的情況下偏置，由于大多數(shù)自保護MOSFET采用有源過壓箝制，過溫保護可能仍處于無效狀態(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)計電壓小于主功率MOSFET漏-源結(jié)的雪崩電壓。因為門極已關(guān)閉，所以當漏極電壓超過門-漏齊納堆棧電壓時，電流將流過堆棧和串聯(lián)門極電阻，流至地面。因此，在主功率MOSFET門極產(chǎn)生接近閾值的電壓，使MOSFET以正激線性工作模式傳導(dǎo)負載電流。由于器件已導(dǎo)通，電感能量在有源區(qū)域以更均勻的電流密度耗散，與雪崩工作模式下的能量耗散方式不同。而且，因為箝制電壓低于雪崩電壓，所以器件在有源箝制模式下的瞬時功耗低于雪崩模式下的瞬時功耗。在有源箝制工作模式下切換電感負載時，這些行為使器件具備更強的能量處理能力。有源箝制由于具有上述特性，故經(jīng)常在其它故 障保護動作之前執(zhí)行。設(shè)計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。