汽車(chē)電子系統使用自保護MOSFET需考慮的因素

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

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。