MOS管保護(hù)措施：功率MOS管的SOA曲線
雖然功率MOS管有諸多優(yōu)點(diǎn),但在電路設(shè)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(hù)問題是功率器件設(shè)計的關(guān)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(shí)線顯示了縮小的SOA區(qū)域,為該器件的實(shí)際情況。
從圖中可以看到功率MOS管的SOA范圍受電學(xué)SOA和熱學(xué)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(hù)措施：電學(xué)SOA限制
功率MOS管的電學(xué)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(dǎo)通而減小，而內(nèi)部寄生雙極晶體管的導(dǎo)通將導(dǎo)致漏極電流繼續(xù)增大,擊穿電壓進(jìn)一步減小，從而形成一個正反饋結(jié)構(gòu)。
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(qiáng)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(hù)是非常必要的。
圖3為一種簡單的功率MOS管過壓保護(hù)結(jié)構(gòu),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(dāng)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(hù)作用。
MOS管保護(hù)措施：熱學(xué)SOA限制
MOS結(jié)構(gòu)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(diǎn)，尤其是會出現(xiàn)熱擊穿。當(dāng)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(xué)SOA限制,功率管通常會具有很低的雪崩擊穿標(biāo)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(shè)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(jìn)行過熱保護(hù)問題。功率管散熱一般有以下四種方法:
①過熱保護(hù)電路設(shè)計
電路設(shè)計中采用過熱保護(hù)結(jié)構(gòu),當(dāng)溫度達(dá)到一定程度,關(guān)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(hù)電路結(jié)構(gòu),該電路利用三極管的基極-發(fā)射極電壓的負(fù)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(jié)電壓，Q1、Q2.Q3截止,Vp輸出低電平;當(dāng)溫度升高時，Q1、Q2的BE結(jié)電壓減小，而Vbg保持不變,Q1、Q2、Q3逐步進(jìn)入導(dǎo)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(dāng)溫度達(dá)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(hù)電路起作用。
此時M9導(dǎo)通,其導(dǎo)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(jìn)一步加大。當(dāng)溫度逐漸下降時,BE結(jié)電壓逐漸增大，流過Q3的電流逐步減少，當(dāng)溫度下降到T1℃時,M9仍在導(dǎo)通狀態(tài),流過Q3的電流仍大于電流源電流,因此保護(hù)仍繼續(xù),當(dāng)溫度下降到T2℃時, Vbg小于Q1、Q2的BE結(jié)電壓,保護(hù)電路關(guān)斷。
因此該過溫保護(hù)具有一定的遲滯效果，可以避免保護(hù)電路在同一溫度開啟關(guān)斷。由于Vp與功率MOS管MP的柵極相連，因此當(dāng)功率管的溫度過高時，保護(hù)電路迅速啟動，降低功率MOS管的柵壓（NMOS）使得功率MOS管關(guān)斷，從而起到保護(hù)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?xùn)艠O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(diǎn)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(dǎo)、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(dǎo)率的金屬封裝或陶瓷封裝結(jié)構(gòu),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(shù)
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(jìn)行背面減薄則能夠在保證其機(jī)械應(yīng)力良好的情況下減少熱阻大小，提高熱擴(kuò)散效率，增強(qiáng)芯片的性能和壽命。
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