MOS管保護措施技術說明詳解-KIA MOS管

MOS管保護措施：功率MOS管的SOA曲線

雖然功率MOS管有諸多優點,但在電路設計過程中,功率MOS管往往是最容易損壞的元件,要想安全可靠的使用好功率MOS管并不容易,因此功率MOS管的驅動和保護問題是功率器件設計的關鍵。

圖1為功率MOS管的安全工作區(SOA)曲線,晶體管的擊穿電壓決定了其最大的漏源電壓VDS ,電遷移限制確定了晶體管的最大漏極電流ID。芯片的最高工作溫度與散熱共同決定了最大的穩態功PD。圖中虛線表示的是SOA邊界,實線顯示了縮小的SOA區域,為該器件的實際情況。

MOS管保護措施

從圖中可以看到功率MOS管的SOA范圍受電學SOA和熱學SOA限制,超過該限制,功率管將在極短時間內(通常為10ms)燒毀。

MOS管保護措施：電學SOA限制

功率MOS管的電學SOA限制通常采用漏源擊穿電壓BVDSS的大小來衡量。由于MOS內部存在寄生的與MOS管并聯的雙極晶體管如圖2所示，MOS漏源擊穿電壓BV的幅度會隨內部寄生雙極晶體管的導通而減小，而內部寄生雙極晶體管的導通將導致漏極電流繼續增大,擊穿電壓進一步減小，從而形成一個正反饋結構。

此時如果不能限制該電流的繼續增大，則器件最終會因過熱自毀。如果向MOS管注人恒定電流,漏源電壓會增大并超過擊穿電壓BV,之后漏源電壓將回跳到一定的低值。流經漏區-襯底的大電流造成強烈的局部過熱，如果不使用外部手段中止漏極電流，晶體管的這部分溫度會很快升高到破壞性水平。因此對功率MOS管的過壓及過溫保護是非常必要的。

MOS管保護措施

圖3為一種簡單的功率MOS管過壓保護結構,采用在功率MOS管旁并聯一個反偏二極管的方法，由于反偏二極管的特性,當Vds電壓變大超過二極管DI的反向擊穿電壓時,二極管反向導通，電流從二極管流過,從而限制了功率管Vds的大小,對MOS管起到一定的保護作用。

MOS管保護措施：熱學SOA限制

MOS結構中固有寄生雙極型晶體管具有和其他雙極晶體管一樣的缺點，尤其是會出現熱擊穿。當在瞬態過載的情況下,雪崩擊穿的M0S管可吸收一定程度的能量，由于受到電學SOA限制,功率管通常會具有很低的雪崩擊穿標度,在發生雪崩擊穿時,約1ms的延遲后,聚集的電流就會將雪崩MOS管燒毀。

因此在設計大功率晶體管時,我們必須考慮如何給功率管散熱和對其進行過熱保護問題。功率管散熱一般有以下四種方法:

①過熱保護電路設計

電路設計中采用過熱保護結構,當溫度達到一定程度,關斷功率管輸出,抑制過大電流產生的熱量;圖4為一典型的過溫保護電路結構,該電路利用三極管的基極-發射極電壓的負溫度系數特性,產生正溫度系數電流與電流源中電流相比較。

正常溫度下，由于Vbg小于Q1、Q2的BE結電壓，Q1、Q2.Q3截止,Vp輸出低電平;當溫度升高時，Q1、Q2的BE結電壓減小，而Vbg保持不變,Q1、Q2、Q3逐步進入導通狀態,但Q3中電流仍小于電流源電流，Vp輸出仍低電平,當溫度達到T1℃后,流過Q3的電流大于電流源中電流,Vp輸出高電平,保護電路起作用。

此時M9導通,其導通電阻與R4并聯降低了Q1 - R4-R5-Q2支路上的電阻,因此流過Q3的電流進一步加大。當溫度逐漸下降時,BE結電壓逐漸增大，流過Q3的電流逐步減少，當溫度下降到T1℃時,M9仍在導通狀態,流過Q3的電流仍大于電流源電流,因此保護仍繼續,當溫度下降到T2℃時, Vbg小于Q1、Q2的BE結電壓,保護電路關斷。

因此該過溫保護具有一定的遲滯效果，可以避免保護電路在同一溫度開啟關斷。由于Vp與功率MOS管MP的柵極相連，因此當功率管的溫度過高時，保護電路迅速啟動，降低功率MOS管的柵壓（NMOS）使得功率MOS管關斷，從而起到保護MOS功率管的作用。

MOS管保護措施