MOS管保護措施技術詳情解析

MOS管保護措施：功率MOS管的SOA曲線

雖然功率MOS管有諸多優(yōu)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(qū)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(qū)(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(wěn)態(tài)功PD。圖中虛線表示的是SOA邊界,實線顯示了縮小的SOA區(qū)域,為該器件的實際情況。

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(nèi)(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(nèi)部存在寄生的與MOS管并聯(lián)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(nèi)部寄生雙極晶體管的導通而減小，而內(nèi)部寄生雙極晶體管的導通將導致漏極電流繼續(xù)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(xù)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(jīng)漏區(qū)-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。

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(lián)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?qū)ǎ娏鲝亩O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(xiàn)熱擊穿。當在瞬態(tài)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(fā)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(chǎn)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(fā)射極電壓的負溫度系數(shù)特性,產(chǎn)生正溫度系數(shù)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(tài),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(lián)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(tài),流過Q3的電流仍大于電流源電流,因此保護仍繼續(xù),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。

②增大功率管與襯底的接觸面積

在不改變功率管驅(qū)動能力(即不改變寬長比)的情況下,增大芯片版圖面積，增加柵極與源極和柵極與漏極的間隙,提高功率管與襯底的接觸面積來提高芯片的散熱能力,其缺點是增大了芯片面積，提高芯片成本。

③采取散熱良好的封裝形式

圖5為集成電路的熱耗散示意圖,從圖中可以看出,芯片在正常工作時,通過傳導、輻射、對流等方式向外散發(fā)熱量其等效熱阻如圖6所示。

熱阻大表示器件傳熱阻抗大,傳熱困難,因此比較容易產(chǎn)生熱的問題，熱阻小表示器件傳熱較容易。因此散熱問題較小。為了減小封裝的熱阻大小。我們經(jīng)常采用具有較高熱導率的金屬封裝或陶瓷封裝結構,同時提高芯片的粘接工藝,降低粘接處的熱阻大小。

④硅片背面減薄技術

目前國內(nèi)代工廠中,6寸硅圓片的厚度一般為600ym左右，而電路層的厚度一般以A°為計最單位。相對襯底厚度僅為薄薄的一層。對硅圓片進行背面減薄則能夠在保證其機械應力良好的情況下減少熱阻大小，提高熱擴散效率，增強芯片的性能和壽命。

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