回复：功率MOSFET短路保护设计

　　功率MOSFET应用于电机控制系统、开关电源或负载开关时，由于输出负载短路，造成瞬间大电流冲击，从而影响MOSFET安全工作。如果功率MOSFET选型不当或保护电路设计不当，就会导致功率MOSFET由于过电流冲击而损坏。本文将基于功率MOSFET的工作特性，通过建立功率MOSFET的短路等效电路，研究功率MOSFET在短路状态下的工作状态，并探讨如何选取功率MOSFET的相关参数，以及设计可靠的驱动电路和短路保护电路，从而提高产品的抗短路能力。

　　1. MOSFET在实际应用中的短路等效电路

　　对于电机控制系统或负载开关等应用，当电机或负载短路时，相当于MOSFET直接将电源短路，此时的短路电流由电源的容量、回路的等效阻抗和MOSFET的导通电阻决定。通常回路的电阻和MOSFET的导通电阻都很小，所以冲击电流可以在数十微妙内达到几百安培以上。电源端的输人电容CIN越大，短路时的冲击电流也越大。通常系统需要快退有效的保护电路来关断MOSFET，从而避免MOSFET由于过电流而损坏。

　　图1 短路等效电路

　　2.短路时功率MOSFET的工作区

　　通常，许多工程师认为，在输出短路的时候，产生的最大短路电流是由输人的电源电压、功率MOSFET的导通电阻和回路的杂散电阻来决定。事实上，当功率MOSFET的栅极驱动电压固定、回路的阻抗足够小且电源能够提供足够大的电流时，小范围改变回路的电阻并不影响最大短路电流。

　　在不同的栅级电压下测量短路电流，测试波形如图2所示，采用的功率MOSFET为AOT266。图2(a): VGS电压为13V，短路电流达1000A，MOSFET在经过47us后电流失控而损坏；图2(b): VGS电压为8V，短路电流仅为500A，MOSFET在经过68us后电流失控而损坏。

　　电流测试使用了20:1的电流互感器，因此电流为200A/格

　　图2 AOT266短路测试波形（a）VGS=13V;（b）VGS=8V

　　这表明：在短路时，功率MOSFET工作在饱和区，最大的短路电流，也就是漏极电流，完全由栅极电压控制，同时，满足功率MOSFET的转移工作特性。漏极电流ID和VGS的关系如式(1)所示。

　　其中: W为沟道宽度，L为沟道长度，μn为电子迁移率，Cox为单位面积栅氧化层电容

　　由公式(1)可知，在饱和区MOSFET的漏极电流由栅极电压控制。因此，可以通过控制栅极电压的高低来控制短路电流的大小。功率MOSFET栅极驱动电压低，短路电流小，MOSFET在短路过程中就能存活较长的时间。但通常在设计MOSFET驱动时，我们不能将MOSFET的驱动电压设置过低，因为过低的驱动电压会导致在正常工作状态下的开关损耗和导通损耗增加。

　　另外，从上面的波形可以看到，对于一定的栅极驱动电压，在短路工作状态下，功率MOSFET导通有一个最大的持续时间，在设计电路时为了保证一定的裕量，通常短路保护时间要小于上述最大持续时间的50%，从而保证功率MOSFET不会损坏。

　　3.功率MOSFET短路损坏模式

　　MOSFET在短路过程中的损坏模式一般可分为以下 三种:

　　3.1.过流损坏

　　在功率MOSFET内部结构中，存在-个寄生NPN三极管 ，此三极管由N+- PBODY-NEPI构成。高的电流Id流过功率MOSFET会使NPN三极管的基极产生Vbe压降，从而使NPN触发导通，功率MOSFET提前失效。

　　3.2.过压损坏

　　过压损坏是短路过程中最常见的损坏模式。在短路时，功率MOSFET会流过很大的电流，如果控制回路检测到过电流后快速关断功率MOSFET，则在功率MOSFET的漏极会产生一个很高的电压尖峰VSPIKE，从而使MOSFET进人雪崩状态而损坏。

　　产生尖峰电压值为VSPIKE=VIN+ LP di/dt

　　其中: VIN为电源电压，Lp为线路寄生电感。因此应该尽部减小电路的寄生电感并控制功率MOSFET的关断速度，确保其不进人雪崩状态。

　　图3为AOT460在用作负载开关应用中的短路测试波形，输入电压VIN为24V。AOT460标称电压为60V，实际耐压大约为70V左右。

　　图3: AOT460短路测试 (a) RG=500Ω；(b) RG=1.5KΩ

　　图3a的栅极驱动电阻为500Ω，由于较小的驱动电阻，关断时的电压尖峰达96V，功率MOSFET进入雪崩状态并很快失效，在关断的过程中功率MOSFET的电流不能回零。

　　图3b的栅极驱动电阻为1.5KΩ，其关断速度较慢，电压尖峰仅75V，功率MOSFET未进入雪崩状态，所以功率MOSFET能安全关断。

　　驱动电阻的设置要根据实际的应用来确定。此应用为负载开关应用，所以开关损耗并不起主导作用，可以将驱动电阻选得较大。如果在高频应用场合，就不能选择如此大的驱动电阻。在设计中，应尽量减小PCB寄生电感、变压器的漏感，引线电感等，从而减小电压尖峰。

　　3.3.过功率损坏

　　由于MOSFET在短路期向工作在饱和区，MOSFET的漏极

　　由式(2)可知，当电流为Idsm =Vdd/ 2Rs时，MOSFET耗散的功率最大，为Pmax =Vdd2/4Rs，此时MOSPET的 导通电阻与回路的等效阻抗Rs相等。

　　图2测试电路中的参数为: VDD=30V, Rs=25mΩ, 根据此参数可以绘出如图4的功率曲线图。由图4可知，当Vgs=8V，IPEAK,=500A时，MOSFET的耗散功率不经过最大功率点；当VGS=13V, IPEAK=1000A时，MOSFET的耗散功率经过最大功率点，且大电流持续时间长。

　　图4:功率曲线与漏极电流的关系

　　表1中列出了不同栅极电阻对开关速度的影响，电阻越小，关断速度越快，di/dt越高，VSPIKE也越高， MOSFET越容易损坏。

　　表1：栅极电阻对开关速度的影响

　　电压和电流都很大，所以MOSFET的功耗将会很高。图1模型中的MOSFET的功耗可通过式(2)计算公式：

　　在功率MOSFET选型方面，为了获得较强的抗短路能力的MOSFET，最好选择在大电流时具有较小跨导的MOSFET，从而获得较低的短路峰值电流，降低短路时的功耗，提高电路的可靠性。

　　4.结论

　　(1 )在系统短路条件下，功率MOSFET工作于饱和区，栅极驱动电压是控制最大短路电流的决定因素。

　　(2)选取较小跨导，合适的栅极驱动电压，快的短路保护时间，可以防止功率MOSFET产生过流和过功率损坏。

　　(3)选取合适驱动电阻，降低回路寄生电感，保证功率MOSFET足够的电压裕量，可以防止功率MOSFET产生过压损坏。

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