自保护功率器件

 

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。