中心議題：

• 短路故障
• 過溫故障
• 過溫保護

解決方案：

• 完全自保護MOSFET功率器件解決方案

汽車電子係統中使用的功率器件必須能抵受極為嚴峻環境的考驗：它們必須能承受關閉瞬流和負載切斷電源故障引起的高壓毛刺
；若環境工作溫度超過120℃，器件結溫則將隨之而來升高；線xian束shu中zhong的de眾zhong多duo連lian接jie器qi位wei於yu方fang便bian組zu裝zhuang和he維wei修xiu的de位wei置zhi，這zhe可ke能neng造zao成cheng器qi件jian電dian氣qi連lian接jie的de間jian斷duan。由you於yu新xin的de負fu載zai需xu要yao的de功gong率lv越yue來lai越yue大da
，所suo以yi即ji使shi在zai正zheng常chang的de條tiao件jian下xia工gong作zuo，器qi件jian承cheng受shou的de壓ya力li也ye明ming顯xian加jia大da。

為(wei)了(le)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)並(bing)降(jiang)低(di)保(bao)修(xiu)成(cheng)本(ben)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)中(zhong)加(jia)入(ru)故(gu)障(zhang)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)，以(yi)免(mian)器(qi)件(jian)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)，避(bi)免(mian)對(dui)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong)造(zao)成(cheng)高(gao)代(dai)價(jia)的(de)損(sun)害(hai)。這(zhe)通(tong)常(chang)利(li)用(yong)外(wai)部(bu)傳(chuan)感(gan)器(qi)、分立電路和軟件來實現，但是在更多情況下，設計人員使用完全自保護的MOSFET功率器件來完成。隨著技術的發展，MOSFET功率器件能夠以更低的係統成本提供優異的故障保護。

圖1顯示了完全自保護MOSFET的一般拓撲結構。這些器件常見的其他特性包括狀態指示、數字輸入、差分輸入和過壓及欠壓切斷。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電路模塊
，即電流限製、溫度限製和漏-源過壓箝製，為器件提供大部分的保護。

短路故障

最常見也最麻煩的故障可能是短路。這類故障有以下幾種形式：負載間的短路

、開關jiandeduanluhuodianyuanjiedideduanlu。erqie，zhexieduanluqijianqidongheguanbishidouhuifasheng。youyuduanluguzhangtongchangshijianxiexing，jishizaihenduanshijianzhongjiucunzaiduozhongxingshi，shiwentigengweijishou。liru，zaiqijianzhijianfashengduanluerMOSFET關閉的情況下
，電流通過短路向MOSFET周圍分流。

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上產生一個反激（flyback）電(dian)壓(ya)。根(gen)據(ju)短(duan)路(lu)持(chi)續(xu)的(de)時(shi)間(jian)和(he)電(dian)阻(zu)
，負(fu)載(zai)電(dian)感(gan)中(zhong)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)可(ke)能(neng)會(hui)高(gao)於(yu)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)時(shi)的(de)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)。因(yin)此(ci)，器(qi)件(jian)比(bi)預(yu)期(qi)吸(xi)收(shou)更(geng)多(duo)的(de)能(neng)量(liang)，而(er)且(qie)多(duo)個(ge)間(jian)歇(xie)性(xing)短(duan)路(lu)事(shi)件(jian)的(de)快(kuai)速(su)連(lian)續(xu)發(fa)生(sheng)會(hui)導(dao)致(zhi)峰(feng)值(zhi)結(jie)溫(wen)急(ji)劇(ju)升(sheng)高(gao)，從(cong)而(er)對(dui)器(qi)件(jian)產(chan)生(sheng)潛(qian)在(zai)的(de)破(po)壞(huai)性(xing)。

過溫故障

其他故障包括器件引腳的靜電放電（ESD）、線xian路lu瞬shun流liu或huo電dian感gan負fu載zai開kai關guan引yin起qi的de過guo壓ya，還hai有you就jiu是shi過guo熱re。過guo溫wen故gu障zhang通tong常chang由you其qi他ta故gu障zhang引yin起qi，如ru短duan路lu便bian會hui快kuai速su增zeng加jia器qi件jian的de功gong耗hao，也ye可ke能neng由you極ji端duan環huan境jing條tiao件jian或huo熱re路lu徑jing異yi常chang引yin起qi，如ru器qi件jian散san熱re器qi和he電dian路lu板ban之zhi間jian的de焊han料liao失shi效xiao。在zai諸zhu多duo故gu障zhang模mo式shi下xia
，自zi保bao護huMOSFET產品的控製電路以一種安全模式來檢測並控製器件工作，使器件在故障修複後可以恢複正常功能。

由於有源元件（MOSFET門極氧化物接口除外）已與門極輸入引腳連接，因此漏極與源極之間短路時，此引腳的泄漏電流（50-100uA）比標準MOSFET泄漏電流的測量值（ 《 50nA）dasangeshuliangji。xieloudianliudezengjiatongchangbuhuiduimenjiqudongdianluchanshengyingxiang，danshi，menjiqudongdianlubixunenggouzaidianliuxianzhihuoreguanjiguzhangqingkuangxiaqudongzugoudadedianliu。zaiguoliuheguowenguzhangdeqingkuangxia
，qijianyibanjianggonglvMOSFET門極節點電壓下拉至接近飽和的工作門限電壓或零伏，以完全關閉器件。

通常門極輸入引腳和功率MOSFET門極節點之間存在一個串聯電阻Rs，所以吸收的輸入電流大約等於（Vin-Vgate）/Rs。器件通常在結溫超過預設限製溫度時關閉。在這種情況下
，Vgate=0伏，所以在過溫故障時必須產生一個等於Vin/Rs的最小源極電流。否則，內部門極下拉電路將無法關閉功率場效應管，使其結溫可能達到產生破壞作用的水平。
　　
過溫保護

通常過溫保護是通過對主功率MOSFET有源區域的溫敏器件（一般為二極管）設置偏壓來實現的。若這些元件偵測到芯片結溫超過過溫設定值時，電路將主功率MOSFET門極拉至地
，關閉該器件。一些器件內置滯後電路，使器件可以在芯片結溫稍微下降（一般下降10℃-20℃）後返回導通狀態。圖2顯示安森美的NIF5022N器件短路電流和時間響應之間的關係。在其它器件中，若檢測到過溫故障情況
，電流將鎖存

，而輸入引腳必須固定對鎖存進行複位。
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在(zai)過(guo)溫(wen)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)下(xia)，必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)兩(liang)個(ge)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)。首(shou)先(xian)，溫(wen)度(du)限(xian)製(zhi)關(guan)斷(duan)電(dian)路(lu)通(tong)常(chang)與(yu)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)電(dian)路(lu)協(xie)同(tong)工(gong)作(zuo)，即(ji)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)電(dian)路(lu)將(jiang)門(men)極(ji)節(jie)點(dian)驅(qu)動(dong)至(zhi)接(jie)近(jin)閾(yu)值(zhi)電(dian)壓(ya)來(lai)使(shi)器(qi)件(jian)進(jin)入(ru)飽(bao)和(he)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)
，以(yi)便(bian)保(bao)持(chi)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)設(she)定(ding)點(dian)。在(zai)負(fu)載(zai)間(jian)短(duan)路(lu)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)在(zai)通(tong)過(guo)高(gao)電(dian)流(liu)時(shi)，功(gong)率(lv)MOSFET上(shang)的(de)壓(ya)降(jiang)接(jie)近(jin)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)。這(zhe)種(zhong)高(gao)功(gong)率(lv)情(qing)況(kuang)很(hen)快(kuai)地(di)引(yin)起(qi)過(guo)溫(wen)故(gu)障(zhang)。對(dui)於(yu)采(cai)用(yong)熱(re)滯(zhi)後(hou)電(dian)路(lu)讓(rang)零(ling)件(jian)在(zai)過(guo)溫(wen)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)下(xia)循(xun)環(huan)導(dao)通(tong)和(he)關(guan)閉(bi)的(de)器(qi)件(jian)
，結(jie)溫(wen)將(jiang)穩(wen)定(ding)在(zai)滯(zhi)後(hou)電(dian)路(lu)高(gao)低(di)設(she)定(ding)點(dian)之(zhi)間(jian)的(de)溫(wen)度(du)。這(zhe)與(yu)高(gao)溫(wen)可(ke)靠(kao)性(xing)測(ce)試(shi)類(lei)似(si)，都(dou)取(qu)決(jue)於(yu)器(qi)件(jian)在(zai)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)，當(dang)器(qi)件(jian)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)下(xia)降(jiang)變(bian)成(cheng)一(yi)個(ge)受(shou)重(zhong)視(shi)的(de)問(wen)題(ti)時(shi)
，別(bie)指(zhi)望(wang)在(zai)故(gu)障(zhang)情(qing)況(kuang)下(xia)該(gai)器(qi)件(jian)工(gong)作(zuo)幾(ji)千(qian)小(xiao)時(shi)或(huo)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)。

gengqieheshijidekaolvshi，dangyingyongdianluzaiguzhangqingkuangxiajiangmenjishuruxunhuandidakaibingguanbi，shijiewenkeyizaiguowenshijianzhijiandezheduanshijianzhongjinxinglengque。zaizhezhongqingkuangxia
，qijianjinruneiburexunhuan，qijianchengshouderexunhuanshuliangyouyidingdexianzhi。xunhuandecishuyuxuduoyinsuyouguan

，baokuojiewenfuducha、溫度偵測布局和電路設計、矽結構、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，然後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
、隨後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。對於標準的MOSFET
，這種工作模式稱為非箝製感應開關（UIS）。在UIS事故中，器件的漏-源矽結處於雪崩狀態，器件產生大量功耗（大小取決於雪崩電壓和峰值電流值）。當MOSFET吸收的能量使結溫超過矽結構的內部溫度（一般超過300℃）時
，UIS事(shi)故(gu)的(de)普(pu)通(tong)故(gu)障(zhang)模(mo)式(shi)將(jiang)發(fa)生(sheng)。當(dang)結(jie)溫(wen)超(chao)過(guo)內(nei)部(bu)溫(wen)度(du)時(shi)
，器(qi)件(jian)不(bu)再(zai)像(xiang)一(yi)個(ge)半(ban)導(dao)體(ti)
，門(men)極(ji)控(kong)製(zhi)出(chu)錯(cuo)，而(er)且(qie)器(qi)件(jian)會(hui)快(kuai)速(su)毀(hui)壞(huai)，除(chu)非(fei)漏(lou)極(ji)電(dian)源(yuan)功(gong)率(lv)立(li)即(ji)消(xiao)失(shi)。自(zi)保(bao)護(hu)的(de)MOSFETkenengzaoshoutongyangdeqingkuang，yinweidangmenjishurudianyaduikongzhidianlujinxingpianzhishi，youyumenjipianzhiweiling
，guowenxianzhidianluchuyuwuxiaozhuangtai。zaizhengchanggongzuohezuihuaideguzhangqingkuangxia（如器件間歇性短路的情況），電(dian)路(lu)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)確(que)保(bao)器(qi)件(jian)吸(xi)收(shou)的(de)能(neng)量(liang)不(bu)超(chao)過(guo)最(zui)大(da)額(e)定(ding)值(zhi)。另(ling)外(wai)
，即(ji)使(shi)出(chu)現(xian)最(zui)高(gao)能(neng)量(liang)額(e)定(ding)值(zhi)

，能(neng)量(liang)脈(mai)衝(chong)之(zhi)間(jian)必(bi)須(xu)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)時(shi)間(jian)讓(rang)結(jie)溫(wen)冷(leng)卻(que)到(dao)初(chu)始(shi)結(jie)溫(wen)。否(fou)則(ze)，結(jie)溫(wen)在(zai)每(mei)個(ge)能(neng)量(liang)脈(mai)衝(chong)之(zhi)後(hou)升(sheng)高(gao)
，最(zui)終(zhong)達(da)到(dao)內(nei)部(bu)故(gu)障(zhang)溫(wen)度(du)。

若過溫限製電路在電感負載關閉的情況下偏置，由於大多數自保護MOSFET采用有源過壓箝製，過溫保護可能仍處於無效狀態。有源箝製電路中的關鍵元件是位於主功率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於主功率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，流至地麵。因此，在主功率MOSFET門極產生接近閾值的電壓，使MOSFET以yi正zheng激ji線xian性xing工gong作zuo模mo式shi傳chuan導dao負fu載zai電dian流liu。由you於yu器qi件jian已yi導dao通tong

，電dian感gan能neng量liang在zai有you源yuan區qu域yu以yi更geng均jun勻yun的de電dian流liu密mi度du耗hao散san
，與yu雪xue崩beng工gong作zuo模mo式shi下xia的de能neng量liang耗hao散san方fang式shi不bu同tong。而er且qie，因yin為wei箝qian製zhi電dian壓ya低di於yu雪xue崩beng電dian壓ya，所suo以yi器qi件jian在zai有you源yuan箝qian製zhi模mo式shi下xia的de瞬shun時shi功gong耗hao低di於yu雪xue崩beng模mo式shi下xia的de瞬shun時shi功gong耗hao。在zai有you源yuan箝qian製zhi工gong作zuo模mo式shi下xia切qie換huan電dian感gan負fu載zai時shi
，這zhe些xie行xing為wei使shi器qi件jian具ju備bei更geng強qiang的de能neng量liang處chu理li能neng力li。有you源yuan箝qian製zhi由you於yu具ju有you上shang述shu特te性xing，故gu經jing常chang在zai其qi它ta故gu 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。