MOSFET功率器件资料下载

  系统中使用的必须能抵受极为严峻环境的考验：它们必须能承受关闭瞬流和负载切断电源故障引起的高压毛刺；若环境工作温度超过120℃，器件结温则将随之而来升高；线束中的众多位于方便组装和维修的位置，这可能造成器件电气连接的间断。由于新的负载需要的功率越来越大，所以即使在正常的条件下工作，器件承受的压力也明显加大。   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威廉希尔官方网站 ，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、分立威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 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。例如，在器件之间发生短路而MOSFET关闭的情况下，电流通过短路向MOSFET周围分流。   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。过温故障通常由其他故障引起，如短路便会快速增加器件的功耗，也可能由极端环境条件或热路径异常引起，如器件散热器和之间的焊料失效。在诸多故障模式下，自保护MOSFET产品的控制威廉希尔官方网站 以一种安全模式来检测并控制器件工作，使器件在故障修复后可以恢复正常功能。   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产生影响，但是，门极驱动威廉希尔官方网站 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，内部门极下拉威廉希尔官方网站 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。   过温保护   通常过温保护是通过对主功率MOSFET有源区域的温敏器件（一般为二极管）设置偏压来实现的。若这些元件侦测到芯片结温超过过温设定值时，威廉希尔官方网站 将主功率MOSFET门极拉至地，关闭该器件。一些器件内置滞后威廉希尔官方网站 ，使器件可以在芯片结温稍微下降（一般下降10℃-20℃）后返回导通状态。图2显示安森美的NIF5022N器件短路电流和时间响应之间的关系。在其它器件中，若检测到过温故障情况，电流将锁存，而输入引脚必须固定对锁存进行复位。   在过温故障情况下，必须考虑两个主要问题。首先，温度限制关断威廉希尔官方网站 通常与电流限制威廉希尔官方网站 协同工作，即电流限制威廉希尔官方网站 将门极节点驱动至接近阈值电压来使器件进入饱和工作模式，以便保持电流限制设定点。在负载间短路的情况下，这意味着在通过高电流时，功率MOSFET上的压降接近电源电压。这种高功率情况很快地引起过温故障。对于采用热滞后威廉希尔官方网站 让零件在过温故障情况下循环导通和关闭的器件，结温将稳定在滞后威廉希尔官方网站 高低设定点之间的温度。这与高温可靠性测试类似，都取决于器件在故障情况下的工作时间。一般来说，当器件的可靠性下降变成一个受重视的问题时，别指望在故障情况下该器件工作几千小时或更长时间。      图2：NIF5022N器件短路电流和时间响应之间的关系。   更切合实际的考虑是，当应用威廉希尔官方网站 在故障情况下将门极输入循环地打开并关闭，使结温可以在过温事件之间的这段时间中进行冷却。在这种情况下，器件进入内部热循环，器件承受的热循环数量有一定的限制。循环的次数与许多因素有关，包括结温幅度差、温度侦测布局和、硅结构、封装技术等。设计人员必须清楚应用威廉希尔官方网站 是否可以在短路或其他激发过温保护故障情况下对受保护的MOSFET进行循环，然后评估器件在这些情况下的可靠性。这种故障模式分析可省去昂贵的场回路。   第二个问题涉及到当过温保护无效、随后可能发生器件故障时器件的工作情况。当关闭电感负载时，器件必须吸收存储在负载电感中的能量。对于标准的MOSFET，这种工作模式称为非箝制感应开关（UIS）。在UIS事故中，器件的漏-源硅结处于雪崩状态，器件产生大量功耗（大小取决于雪崩电压和峰值电流值）。当MOSFET吸收的能量使结温超过硅结构的内部温度（一般超过300℃）时，UIS事故的普通故障模式将发生。当结温超过内部温度时，器件不再像一个半导体，门极控制出错，而且器件会快速毁坏，除非漏极电源功率立即消失。自保护的MOSFET可能遭受同样的情况，因为当门极输入电压对控制威廉希尔官方网站 进行偏置时，由于门极偏置为零，过温限制威廉希尔官方网站 处于无效状态。在正常工作和最坏的故障情况下（如器件间歇性短路的情况），威廉希尔官方网站 设计人员必须确保器件吸收的能量不超过最大额定值。另外，即使出现最高能量额定值，能量脉冲之间必须有足够的时间让结温冷却到初始结温。否则，结温在每个能量脉冲之后升高，最终达到内部故障温度。   若过温限制威廉希尔官方网站 在电感负载关闭的情况下偏置，由于大多数自保护MOSFET采用有源过压箝制，过温保护可能仍处于无效状态。有源箝制威廉希尔官方网站 中的关键元件是位于主功率MOSFET门极和漏极连接之间的背靠背串联齐纳二极管。以此种状态堆栈的齐纳二极管的设计电压小于主功率MOSFET漏-源结的雪崩电压。因为门极已关闭，所以当漏极电压超过门-漏齐纳堆栈电压时，电流将流过堆栈和串联门极电阻，流至地面。因此，在主功率MOSFET门极产生接近阈值的电压，使MOSFET以正激线性工作模式传导负载电流。由于器件已导通，电感能量在有源区域以更均匀的电流密度耗散，与雪崩工作模式下的能量耗散方式不同。而且，因为箝制电压低于雪崩电压，所以器件在有源箝制模式下的瞬时功耗低于雪崩模式下的瞬时功耗。在有源箝制工作模式下切换电感负载时，这些行为使器件具备更强的能量处理能力。有源箝制由于具有上述特性，故经常在其它故 障保护动作之前执行。设计人员必须确保器件能够吸收在最坏情况下所有可能的电感能量。   作者：Don Zaremba，应用经理，安森美半导体公司 (mbbeetchina)