汽車電子系統使用自保護MOSFET需考慮的因素

圖2：NIF5022N器件短路電流和時間響應之間的關系

在過溫故障情況下，必須考慮兩個主要問題。首先，溫度限制關斷電路通常與電流限制電路協同工作，即電流限制電路將門極節點驅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導通和關閉的器件，結溫將穩定在滯后電路高低設定點之間的溫度。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，當應用電路在故障情況下將門極輸入循環地打開并關閉，使結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，器件進入內部熱循環，器件承受的熱循環數量有一定的限制。循環的次數與許多因素有關，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過溫保護故障情況下對受保護的MOSFET進行循環，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、隨后可能發生器件故障時器件的工作情況。當關閉電感負載時，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開關(UIS)。在UIS事故中，器件的漏-源硅結處于雪崩狀態，器件產生大量功耗(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硅結構的內部溫度(一般超過300℃)時，UIS事故的普通故障模式將發生。當結溫超過內部溫度時，器件不再像一個半導體，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。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間讓結溫冷卻到初始結溫。否則，結溫在每個能量脈沖之后升高，最終達到內部故障溫度。

若過溫限制電路在電感負載關閉的情況下偏置，由于大多數自保護MOSFET采用有源過壓箝制，過溫保護可能仍處于無效狀態。有源箝制電路中的關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齊納二極管。以此種狀態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。因為門極已關閉，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門極電阻，流至地面。因此，在主功率MOSFET門極產生接近閾值的電壓，使MOSFET以正激線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，故經常在其它故 障保護動作之前執行。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。