汽车电子系统使用自保护MOSFET需考虑的因素

发布者:Quail最新更新时间:2014-01-04 来源: 21ic关键字:汽车电子系统  自保护  MOSFET  温敏器件 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

采用自保护MOSFET可以设计出高性价比的容错系统,但损害或毁坏自保护MOSFET器件的工作情况确实存在。只有在系统设计时仔细考虑这些因素,才可以设计出高性价比而可靠的系统。

汽车电子系统中使用的功率器件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;线束中的众多连接器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。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,如器件散热器和电路板之间的焊料失效。在诸多故障模式下,自保护MOSFET产品的控制电路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。 [page]

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。

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,电路将主功率MOSFET门极拉至地,关闭该器件。一些器件内置滞后电路,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。


图2:NIF5022N器件短路电流和时间响应之间的关系

在过温故障情况下,必须考虑两个主要问题。首先,温度限制关断电路通常与电流限制电路协同工作,即电流限制电路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。对于采用热滞后电路让零件在过温故障情况下循环导通和关闭的器件,结温将稳定在滞后电路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。

更切合实际的考虑是,当应用电路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、温度侦测布局和电路设计、硅结构、封装技术等。设计人员必须清楚应用电路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电路进行偏置时,由于门极偏置为零,过温限制电路处于无效状态。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),电路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。

若过温限制电路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。有源箝制电路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。

关键字:汽车电子系统  自保护  MOSFET  温敏器件 引用地址:汽车电子系统使用自保护MOSFET需考虑的因素

上一篇:FRAM使安全气囊系统更加智能化
下一篇:变频器在汽车空调压缩机上的应用

推荐阅读最新更新时间:2024-05-02 22:54

意法半导体推出MOSFET能效的双极功率晶体管
意法半导体(ST)最新的双极功率晶体管媲美MOSFET的能效且具备紧凑封装,节省电路板空间 中国,2013年10月15日 ——意法半导体的3STL2540提供双极晶体管的成本优势和硅面积使用效率,同时兼具同级MOSFET的能效,为设计人员提供一个节省空间的低成本的电源管理和DC-DC电源转换器(DC-DC converters)转换解决方案。 3STL2540是一个-40V/-5A PNP结晶体管,在完全饱和状态时,最大压降是200mV,基极电流仅为10mA。等效导通电阻仅为90mΩ,接近同等级超级逻辑电平MOSFET的性能。 3STL2540的核心技术是意法半导体的先进的双金属层平面基岛工艺,在0.2到10V的宽输出电压下
[电源管理]
针对应用选择正确的MOSFET驱动器
       目前,现有的MOSFET技术和硅工艺种类繁多,这使得选择合适的MOSFET驱动器成了一个富有挑战性的过程。   从功能上讲,MOSFET驱动器将逻辑信号转变成较高的电压和电流,以很短的响应时间驱动MOSFET栅极的开和关。例如,使用MOSFET驱动器可以将一个5V、低电流的单片机输出信号转变成一个18V、几安培的驱动信号来作为功率MOSFET的输入。针对应用选择正确的MOSFET驱动器,需要对与MOSFET栅极电荷和工作频率相关的功耗有透彻的理解。例如,不管栅极电压的转变快或慢,MOSFET栅极充电或放电时所需的能量是相同的。   MOSFET驱动器的功耗性能由以下三个关键因素决定:   1 MOSFET栅极电容
[电源管理]
针对应用选择正确的<font color='red'>MOSFET</font>驱动器
汽车电子系统中电子控制技术的解析
汽车电子控制技术的快速发展主要取决于以下三个因素:一是得益于晶体管技术、大规模集成电路技术、计算机技术和网络技术的飞速发展,成本不断降低,控制功能越来越强大,为汽车电子控制技术的发展提供良好的条件;二是由于各国政府制定了越来越严格的法规,迫使汽车制造商必须采用先进的电子控制技术,以满足在燃油经济性、安全性和排放性能方面的法规要求;三是用户对汽车安全性、舒适性、动力性、经济性等越来越高的需求,促使汽车制造商更多地采用电子控制技术,增强其产品在市场上的竞争能力。 汽车电子控制技术的发展过程,大致可分为电子电路控制、微型计算机控制和车载局域网控制三个阶段。第一阶段(1953~1975年):模拟电子电路控制阶段,即采用分立电子元件或集
[汽车电子]
<font color='red'>汽车</font><font color='red'>电子系统</font>中电子控制技术的解析
超级结MOSFET和IGBT在电动汽车充电桩的应用
插电式混合动力/电动汽车(xEV)包含一个高压电池子系统,可采用内置的车载充电器(OBC)或外部的充电桩进行充电。充电(应用)要求在高温环境下具有高电压、高电流和高性能,开发高能效、高性能、具丰富保护功能的充电桩对于实现以尽可能短的充电时间续航更远的里程至关重要。常用的半导体器件有IGBT、超结MOSFET和碳化硅(SiC)。安森美半导体为电动汽车OBC和直流充电桩提供完整的系统方案,包括通过AEC车规认证的超级结MOSFET、IGBT、门极驱动器、碳化硅(SiC)器件、电压检测、控制产品乃至电源模块等,支持设计人员优化性能,加快开发周期。本文将主要介绍用于电动汽车直流充电桩的超级结MOSFET和具成本优势的IGBT方案。 电
[汽车电子]
超级结<font color='red'>MOSFET</font>和IGBT在电动<font color='red'>汽车</font>充电桩的应用
朋程拟借并购切入MOSFET与电动汽车IGBT,青岛新厂明年初投产
车用二极管大厂朋程30日举行股东会,董事长卢明光表示,朋程布局电动车商机,除了持续开发新产品应用,也切入关键的MOSFET和绝缘栅双极电晶体(IGBT)模组产品布局,看好今年营收、获利表现都将优于去年。 卢明光也表示,朋程长期瞄准电动车所需的IGBT商机,但台湾地区车用IGBT供应链并不完备,朋程将用更快的速度买下境外公司,预期公司未来的并购成长空间很大,将超越现有产品线的成长。 他也指出,朋程目前正在中国大陆青岛建新厂,预计今年11月完成建置第一期厂房,明年元月投产,该厂产值初期估计可达2亿元新台币左右,后续也将规划兴建第二期,希望在三至五年内,该厂产值可达10亿元。 另外,为布局车用MOSFET与IGBT模组,朋程
[半导体设计/制造]
耗尽型MOSFET适用于在没有电源的情况下传导高保真信号
所谓的增强还是耗尽,主要是指MOS管内的反型层。如果在不通电情况下,反型层不存在,电压加到一定程度后,反型层才出现,这个就是增强。相反,如果反型层一开始就存在,随着电压强弱,反型层会出现增加或者衰减,这个就是耗尽。 所以,对于高速低功耗应用来说,增强型由于功耗更低,因此得到了广泛流行,然而最近安森美撰文,详解了耗尽型MOSFET开关如今所具有的优势,希望大家 耗尽型MOSFET开关,一度不那么受欢迎,且常被视为典型的增强型FET的同属,却在最近几年中越来越受欢迎。安森美半导体投入该技术,开发出越来越多的耗尽型模拟开关系列。这些开关越来越多地用于很好地解决工程问题。此博客将使读者更好地了解这些实用的器件的能力,并介绍方案示
[电源管理]
耗尽型<font color='red'>MOSFET</font>适用于在没有电源的情况下传导高保真信号
Vishay 推出4款低导通电阻的600V MOSFET
  Vishay Intertechnology, Inc.宣布,推出4款新的600V MOSFET --- SiHP22N60S(TO-220)、SiHF22N60S(TO-220 FULLPAK)、SiHG22N60S(TO-247)和SiHB22N60S(TO-263),将其Super Junction FET技术延伸到TO-220、TO-220F、TO-247和TO-263封装。   新的SiHP22N60S(TO-220)、SiHF22N60S(TO-220 FULLPAK)、SiHG22N60S(TO-247)和SiHB22N60S(TO-263)具有600V的电压等级,在10V栅极驱动下的最大导通电阻仅有0
[电源管理]
一种专为IGBT和MOSFET设计的驱动器
摘要:介绍了一种专为IGBT和功率MOSFET设计的电力电子驱动器件——SCALE集成驱动器的性能特点和内部结构 ,给出了SCALE集成驱动器在中频臭氧发生器电源中的应用电路。 关键词:驱动电路;IGBT;功率MOSFET;中频电源;臭氧发生器 电力电子器件的驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口, 是电力电子装置的重要环节,对整个装置的性能有很大的影响。采用性能良好的驱动电路可使电力电子器件工作在比较理想的开关状态,同时可缩短开关时间,减少开关损耗,这对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的意义。 驱动电路的常用形式是由分立元件构成的驱动电路,但目前的趋势是采用专用的集成驱动电路。SCALE集成驱动器就是由瑞士
[应用]
小广播
最新嵌入式文章
何立民专栏 单片机及嵌入式宝典

北京航空航天大学教授,20余年来致力于单片机与嵌入式系统推广工作。

换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved