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MOS管保护措施技术详情解析

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2020-11-16 浏览:-

MOS管保护措施技术详情解析

MOS管保护措施:功率MOS管的SOA曲线

虽然功率MOS管有诸多优点,但在电路设计过程中,功率MOS管往往是最容易损坏的元件,要想安全可靠的使用好功率MOS管并不容易,因此功率MOS管的驱动和保护问题是功率器件设计的关键。

图1为功率MOS管的安全工作区(SOA)曲线,晶体管的击穿电压决定了其最大的漏源电压VDS ,电迁移限制确定了晶体管的最大漏极电流ID。芯片的最高工作温度与散热共同决定了最大的稳态功PD。图中虚线表示的是SOA边界,实线显示了缩小的SOA区域,为该器件的实际情况。

MOS管保护

从图中可以看到功率MOS管的SOA范围受电学SOA和热学SOA限制,超过该限制,功率管将在极短时间内(通常为10ms)烧毁。

MOS管保护措施:电学SOA限制

功率MOS管的电学SOA限制通常采用漏源击穿电压BVDSS的大小来衡量。由于MOS内部存在寄生的与MOS管并联的双极晶体管如图2所示,MOS漏源击穿电压BV的幅度会随内部寄生双极晶体管的导通而减小,而内部寄生双极晶体管的导通将导致漏极电流继续增大,击穿电压进一步减小,从而形成一个正反馈结构。

此时如果不能限制该电流的继续增大,则器件最终会因过热自毁。如果向MOS管注人恒定电流,漏源电压会增大并超过击穿电压BV,之后漏源电压将回跳到一定的低值。流经漏区-衬底的大电流造成强烈的局部过热,如果不使用外部手段中止漏极电流,晶体管的这部分温度会很快升高到破坏性水平。因此对功率MOS管的过压及过温保护是非常必要的。

MOS管保护

图3为一种简单的功率MOS管过压保护结构,采用在功率MOS管旁并联一个反偏二极管的方法,由于反偏二极管的特性,当Vds电压变大超过二极管DI的反向击穿电压时,二极管反向导通,电流从二极管流过,从而限制了功率管Vds的大小,对MOS管起到一定的保护作用。

MOS管保护措施:热学SOA限制

MOS结构中固有寄生双极型晶体管具有和其他双极晶体管一样的缺点,尤其是会出现热击穿。当在瞬态过载的情况下,雪崩击穿的M0S管可吸收一定程度的能量,由于受到电学SOA限制,功率管通常会具有很低的雪崩击穿标度,在发生雪崩击穿时,约1ms的延迟后,聚集的电流就会将雪崩MOS管烧毁。

因此在设计大功率晶体管时,我们必须考虑如何给功率管散热和对其进行过热保护问题。功率管散热一般有以下四种方法:

①过热保护电路设计

电路设计中采用过热保护结构,当温度达到一定程度,关断功率管输出,抑制过大电流产生的热量;图4为一典型的过温保护电路结构,该电路利用三极管的基极-发射极电压的负温度系数特性,产生正温度系数电流与电流源中电流相比较。

正常温度下,由于Vbg小于Q1、Q2的BE结电压,Q1、Q2.Q3截止,Vp输出低电平;当温度升高时,Q1、Q2的BE结电压减小,而Vbg保持不变,Q1、Q2、Q3逐步进入导通状态,但Q3中电流仍小于电流源电流,Vp输出仍低电平,当温度达到T1℃后,流过Q3的电流大于电流源中电流,Vp输出高电平,保护电路起作用。

此时M9导通,其导通电阻与R4并联降低了Q1 - R4-R5-Q2支路上的电阻,因此流过Q3的电流进一步加大。当温度逐渐下降时,BE结电压逐渐增大,流过Q3的电流逐步减少,当温度下降到T1℃时,M9仍在导通状态,流过Q3的电流仍大于电流源电流,因此保护仍继续,当温度下降到T2℃时, Vbg小于Q1、Q2的BE结电压,保护电路关断。

因此该过温保护具有一定的迟滞效果,可以避免保护电路在同一温度开启关断。由于Vp与功率MOS管MP的栅极相连,因此当功率管的温度过高时,保护电路迅速启动,降低功率MOS管的栅压(NMOS)使得功率MOS管关断,从而起到保护MOS功率管的作用。

MOS管保护

②增大功率管与衬底的接触面积

在不改变功率管驱动能力(即不改变宽长比)的情况下,增大芯片版图面积,增加栅极与源极和栅极与漏极的间隙,提高功率管与衬底的接触面积来提高芯片的散热能力,其缺点是增大了芯片面积,提高芯片成本。

③采取散热良好的封装形式

图5为集成电路的热耗散示意图,从图中可以看出,芯片在正常工作时,通过传导、辐射、对流等方式向外散发热量其等效热阻如图6所示。

MOS管保护

热阻大表示器件传热阻抗大,传热困难,因此比较容易产生热的问题,热阻小表示器件传热较容易。因此散热问题较小。为了减小封装的热阻大小。我们经常采用具有较高热导率的金属封装或陶瓷封装结构,同时提高芯片的粘接工艺,降低粘接处的热阻大小。

④硅片背面减薄技术

目前国内代工厂中,6寸硅圆片的厚度一般为600ym左右,而电路层的厚度一般以A°为计最单位。相对衬底厚度仅为薄薄的一层。对硅圆片进行背面减薄则能够在保证其机械应力良好的情况下减少热阻大小,提高热扩散效率,增强芯片的性能和寿命。

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