中心議題：

• 短路故障
• 過(guò)溫故障
• 過(guò)溫保護

解決方案：

• 完全自保護MOSFET功率器件解決方案

汽車(chē)電子系統中使用的功率器件必須能抵受極為嚴峻環(huán)境的考驗：它們必須能承受關(guān)閉瞬流和負載切斷電源故障引起的高壓毛刺；若環(huán)境工作溫度超過(guò)120℃，器件結溫則將隨之而來(lái)升高；線(xiàn)束中的眾多連接器位于方便組裝和維修的位置，這可能造成器件電氣連接的間斷。由于新的負載需要的功率越來(lái)越大，所以即使在正常的條件下工作，器件承受的壓力也明顯加大。

為了提高系統可靠性并降低保修成本，設計人員在功率器件中加入故障保護電路，以免器件發(fā)生故障，避免對電子系統造成高代價(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，但是在更多情況下，設計人員使用完全自保護的MOSFET功率器件來(lái)完成。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，MOSFET功率器件能夠以更低的系統成本提供優(yōu)異的故障保護。

圖1顯示了完全自保護MOSFET的一般拓撲結構。這些器件常見(jiàn)的其他特性包括狀態(tài)指示、數字輸入、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。

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。例如，在器件之間發(fā)生短路而MOSFET關(guān)閉的情況下，電流通過(guò)短路向MOSFET周?chē)至鳌?br />
然而，如果短路是間歇性、負載為電感的情況下，電流中斷將在MOSFET上產(chǎn)生一個(gè)反激（flyback）電壓。根據短路持續的時(shí)間和電阻，負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發(fā)生會(huì )導致峰值結溫急劇升高，從而對器件產(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)路瞬流或電感負載開(kāi)關(guān)引起的過(guò)壓，還有就是過(guò)熱。過(guò)溫故障通常由其他故障引起，如短路便會(huì )快速增加器件的功耗，也可能由極端環(huán)境條件或熱路徑異常引起，如器件散熱器和電路板之間的焊料失效。在諸多故障模式下，自保護MOSFET產(chǎn)品的控制電路以一種安全模式來(lái)檢測并控制器件工作，使器件在故障修復后可以恢復正常功能。

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）比標準MOSFET泄漏電流的測量值（ 《 50nA）大三個(gè)數量級。泄漏電流的增加通常不會(huì )對門(mén)極驅動(dòng)電路產(chǎn)生影響，但是，門(mén)極驅動(dòng)電路必須能夠在電流限制或熱關(guān)機故障情況下驅動(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。器件通常在結溫超過(guò)預設限制溫度時(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，內部門(mén)極下拉電路將無(wú)法關(guān)閉功率場(chǎng)效應管，使其結溫可能達到產(chǎn)生破壞作用的水平。
　　
過(guò)溫保護

通常過(guò)溫保護是通過(guò)對主功率MOSFET有源區域的溫敏器件（一般為二極管）設置偏壓來(lái)實(shí)現的。若這些元件偵測到芯片結溫超過(guò)過(guò)溫設定值時(shí)，電路將主功率MOSFET門(mén)極拉至地，關(guān)閉該器件。一些器件內置滯后電路，使器件可以在芯片結溫稍微下降（一般下降10℃-20℃）后返回導通狀態(tài)。圖2顯示安森美的NIF5022N器件短路電流和時(shí)間響應之間的關(guān)系。在其它器件中，若檢測到過(guò)溫故障情況，電流將鎖存，而輸入引腳必須固定對鎖存進(jìn)行復位。
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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)極節點(diǎn)驅動(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定點(diǎn)。在負載間短路的情況下，這意味著(zhù)在通過(guò)高電流時(shí)，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(guò)溫故障。對于采用熱滯后電路讓零件在過(guò)溫故障情況下循環(huán)導通和關(guān)閉的器件，結溫將穩定在滯后電路高低設定點(diǎn)之間的溫度。這與高溫可靠性測試類(lèi)似，都取決于器件在故障情況下的工作時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，當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(cháng)時(shí)間。

更切合實(shí)際的考慮是，當應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)入內部熱循環(huán)，器件承受的熱循環(huán)數量有一定的限制。循環(huán)的次數與許多因素有關(guān)，包括結溫幅度差、溫度偵測布局和電路設計、硅結構、封裝技術(shù)等。設計人員必須清楚應用電路是否可以在短路或其他激發(fā)過(guò)溫保護故障情況下對受保護的MOSFET進(jìn)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(chǎng)回路。

第二個(gè)問(wèn)題涉及到當過(guò)溫保護無(wú)效、隨后可能發(fā)生器件故障時(shí)器件的工作情況。當關(guān)閉電感負載時(shí)，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(chēng)為非箝制感應開(kāi)關(guān)（UIS）。在UIS事故中，器件的漏-源硅結處于雪崩狀態(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吸收的能量使結溫超過(guò)硅結構的內部溫度（一般超過(guò)300℃）時(shí)，UIS事故的普通故障模式將發(fā)生。當結溫超過(guò)內部溫度時(shí)，器件不再像一個(gè)半導體，門(mén)極控制出錯，而且器件會(huì )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(mén)極輸入電壓對控制電路進(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)。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），電路設計人員必須確保器件吸收的能量不超過(guò)最大額定值。另外，即使出現最高能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時(shí)間讓結溫冷卻到初始結溫。否則，結溫在每個(gè)能量脈沖之后升高，最終達到內部故障溫度。

若過(guò)溫限制電路在電感負載關(guān)閉的情況下偏置，由于大多數自保護MOSFET采用有源過(guò)壓箝制，過(guò)溫保護可能仍處于無(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計電壓小于主功率MOSFET漏-源結的雪崩電壓。因為門(mén)極已關(guān)閉，所以當漏極電壓超過(guò)門(mén)-漏齊納堆棧電壓時(shí)，電流將流過(guò)堆棧和串聯(lián)門(mén)極電阻，流至地面。因此，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)性工作模式傳導負載電流。由于器件已導通，電感能量在有源區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(shí)功耗低于雪崩模式下的瞬時(shí)功耗。在有源箝制工作模式下切換電感負載時(shí)，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(dòng)作之前執行。設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。