回覆：功率MOSFET短路保護設計
功率MOSFET應用於電機控制系統、開關電源或負載開關時，由於輸出負載短路，造成瞬間大電流衝擊，從而影響MOSFET安全工作。如果功率MOSFET選型不當或保護電路設計不當，就會導致功率MOSFET由於過電流衝擊而損壞。本文將基於功率MOSFET的工作特性，透過建立功率MOSFET的短路等效電路，研究功率MOSFET在短路狀態下的工作狀態，並探討如何選取功率MOSFET的相關引數，以及設計可靠的驅動電路和短路保護電路，從而提高產品的抗短路能力。
1. MOSFET在實際應用中的短路等效電路
對於電機控制系統或負載開關等應用，當電機或負載短路時，相當於MOSFET直接將電源短路，此時的短路電流由電源的容量、迴路的等效阻抗和MOSFET的導通電阻決定。通常回路的電阻和MOSFET的導通電阻都很小，所以衝擊電流可以在數十微妙內達到幾百安培以上。電源端的輸人電容CIN越大，短路時的衝擊電流也越大。通常系統需要快退有效的保護電路來關斷MOSFET，從而避免MOSFET由於過電流而損壞。
圖1 短路等效電路
2.短路時功率MOSFET的工作區
通常，許多工程師認為，在輸出短路的時候，產生的最大短路電流是由輸人的電源電壓、功率MOSFET的導通電阻和迴路的雜散電阻來決定。事實上，當功率MOSFET的柵極驅動電壓固定、迴路的阻抗足夠小且電源能夠提供足夠大的電流時，小範圍改變回路的電阻並不影響最大短路電流。
在不同的柵級電壓下測量短路電流，測試波形如圖2所示，採用的功率MOSFET為AOT266。圖2(a): VGS電壓為13V，短路電流達1000A，MOSFET在經過47us後電流失控而損壞；圖2(b): VGS電壓為8V，短路電流僅為500A，MOSFET在經過68us後電流失控而損壞。
電流測試使用了20:1的電流互感器，因此電流為200A/格
圖2 AOT266短路測試波形（a）VGS=13V;（b）VGS=8V
這表明：在短路時，功率MOSFET工作在飽和區，最大的短路電流，也就是漏極電流，完全由柵極電壓控制，同時，滿足功率MOSFET的轉移工作特性。漏極電流ID和VGS的關係如式(1)所示。
其中: W為溝道寬度，L為溝道長度，μn為電子遷移率，Cox為單位面積柵氧化層電容
由公式(1)可知，在飽和區MOSFET的漏極電流由柵極電壓控制。因此，可以透過控制柵極電壓的高低來控制短路電流的大小。功率MOSFET柵極驅動電壓低，短路電流小，MOSFET在短路過程中就能存活較長的時間。但通常在設計MOSFET驅動時，我們不能將MOSFET的驅動電壓設定過低，因為過低的驅動電壓會導致在正常工作狀態下的開關損耗和導通損耗增加。
另外，從上面的波形可以看到，對於一定的柵極驅動電壓，在短路工作狀態下，功率MOSFET導通有一個最大的持續時間，在設計電路時為了保證一定的裕量，通常短路保護時間要小於上述最大持續時間的50%，從而保證功率MOSFET不會損壞。
3.功率MOSFET短路損壞模式
MOSFET在短路過程中的損壞模式一般可分為以下 三種:
3.1.過流損壞
在功率MOSFET內部結構中，存在-個寄生NPN三極體 ，此三極體由N+- PBODY-NEPI構成。高的電流Id流過功率MOSFET會使NPN三極體的基極產生Vbe壓降，從而使NPN觸發導通，功率MOSFET提前失效。
3.2.過壓損壞
過壓損壞是短路過程中最常見的損壞模式。在短路時，功率MOSFET會流過很大的電流，如果控制迴路檢測到過電流後快速關斷功率MOSFET，則在功率MOSFET的漏極會產生一個很高的電壓尖峰VSPIKE，從而使MOSFET進人雪崩狀態而損壞。
產生尖峰電壓值為VSPIKE=VIN+ LP di/dt
其中: VIN為電源電壓，Lp為線路寄生電感。因此應該盡部減小電路的寄生電感並控制功率MOSFET的關斷速度，確保其不進人雪崩狀態。
圖3為AOT460在用作負載開關應用中的短路測試波形，輸入電壓VIN為24V。AOT460標稱電壓為60V，實際耐壓大約為70V左右。
圖3: AOT460短路測試 (a) RG=500Ω；(b) RG=1.5KΩ
圖3a的柵極驅動電阻為500Ω，由於較小的驅動電阻，關斷時的電壓尖峰達96V，功率MOSFET進入雪崩狀態並很快失效，在關斷的過程中功率MOSFET的電流不能回零。
圖3b的柵極驅動電阻為1.5KΩ，其關斷速度較慢，電壓尖峰僅75V，功率MOSFET未進入雪崩狀態，所以功率MOSFET能安全關斷。
驅動電阻的設定要根據實際的應用來確定。此應用為負載開關應用，所以開關損耗並不起主導作用，可以將驅動電阻選得較大。如果在高頻應用場合，就不能選擇如此大的驅動電阻。在設計中，應儘量減小PCB寄生電感、變壓器的漏感，引線電感等，從而減小電壓尖峰。
3.3.過功率損壞
由於MOSFET在短路期向工作在飽和區，MOSFET的漏極
由式(2)可知，當電流為Idsm =Vdd/ 2Rs時，MOSFET耗散的功率最大，為Pmax =Vdd2/4Rs，此時MOSPET的 導通電阻與迴路的等效阻抗Rs相等。
圖2測試電路中的引數為: VDD=30V, Rs=25mΩ, 根據此引數可以繪出如圖4的功率曲線圖。由圖4可知，當Vgs=8V，IPEAK,=500A時，MOSFET的耗散功率不經過最大功率點；當VGS=13V, IPEAK=1000A時，MOSFET的耗散功率經過最大功率點，且大電流持續時間長。
圖4:功率曲線與漏極電流的關係
表1中列出了不同柵極電阻對開關速度的影響，電阻越小，關斷速度越快，di/dt越高，VSPIKE也越高， MOSFET越容易損壞。
表1：柵極電阻對開關速度的影響
電壓和電流都很大，所以MOSFET的功耗將會很高。圖1模型中的MOSFET的功耗可透過式(2)計算公式：
在功率MOSFET選型方面，為了獲得較強的抗短路能力的MOSFET，最好選擇在大電流時具有較小跨導的MOSFET，從而獲得較低的短路峰值電流，降低短路時的功耗，提高電路的可靠性。
4.結論
(1 )在系統短路條件下，功率MOSFET工作於飽和區，柵極驅動電壓是控制最大短路電流的決定因素。
(2)選取較小跨導，合適的柵極驅動電壓，快的短路保護時間，可以防止功率MOSFET產生過流和過功率損壞。
(3)選取合適驅動電阻，降低迴路寄生電感，保證功率MOSFET足夠的電壓裕量，可以防止功率MOSFET產生過壓損壞。
(AOS美國萬代(萬國)半導體公司代理商|泰德蘭官網|AOT460mos管現貨現出AOT266L型號中文資料pdf|工作原理|電子新聞|摘要:(AOT266L應用電路圖 引腳功能圖AOT460最低導通 開啟電壓AOT266L封裝 尺寸AOT460代替 替換)功率MOSFET短路保護設計+MOSFET在實際應用中的短路等效電路+短路時功率MOSFET的工作區+功率MOSFET短路損壞模式)
回覆：功率MOSFET短路保護設計
功率MOSFET應用於電機控制系統、開關電源或負載開關時，由於輸出負載短路，造成瞬間大電流衝擊，從而影響MOSFET安全工作。如果功率MOSFET選型不當或保護電路設計不當，就會導致功率MOSFET由於過電流衝擊而損壞。本文將基於功率MOSFET的工作特性，透過建立功率MOSFET的短路等效電路，研究功率MOSFET在短路狀態下的工作狀態，並探討如何選取功率MOSFET的相關引數，以及設計可靠的驅動電路和短路保護電路，從而提高產品的抗短路能力。
1. MOSFET在實際應用中的短路等效電路
對於電機控制系統或負載開關等應用，當電機或負載短路時，相當於MOSFET直接將電源短路，此時的短路電流由電源的容量、迴路的等效阻抗和MOSFET的導通電阻決定。通常回路的電阻和MOSFET的導通電阻都很小，所以衝擊電流可以在數十微妙內達到幾百安培以上。電源端的輸人電容CIN越大，短路時的衝擊電流也越大。通常系統需要快退有效的保護電路來關斷MOSFET，從而避免MOSFET由於過電流而損壞。
圖1 短路等效電路
2.短路時功率MOSFET的工作區
通常，許多工程師認為，在輸出短路的時候，產生的最大短路電流是由輸人的電源電壓、功率MOSFET的導通電阻和迴路的雜散電阻來決定。事實上，當功率MOSFET的柵極驅動電壓固定、迴路的阻抗足夠小且電源能夠提供足夠大的電流時，小範圍改變回路的電阻並不影響最大短路電流。
在不同的柵級電壓下測量短路電流，測試波形如圖2所示，採用的功率MOSFET為AOT266。圖2(a): VGS電壓為13V，短路電流達1000A，MOSFET在經過47us後電流失控而損壞；圖2(b): VGS電壓為8V，短路電流僅為500A，MOSFET在經過68us後電流失控而損壞。
電流測試使用了20:1的電流互感器，因此電流為200A/格
圖2 AOT266短路測試波形（a）VGS=13V;（b）VGS=8V
這表明：在短路時，功率MOSFET工作在飽和區，最大的短路電流，也就是漏極電流，完全由柵極電壓控制，同時，滿足功率MOSFET的轉移工作特性。漏極電流ID和VGS的關係如式(1)所示。
其中: W為溝道寬度，L為溝道長度，μn為電子遷移率，Cox為單位面積柵氧化層電容
由公式(1)可知，在飽和區MOSFET的漏極電流由柵極電壓控制。因此，可以透過控制柵極電壓的高低來控制短路電流的大小。功率MOSFET柵極驅動電壓低，短路電流小，MOSFET在短路過程中就能存活較長的時間。但通常在設計MOSFET驅動時，我們不能將MOSFET的驅動電壓設定過低，因為過低的驅動電壓會導致在正常工作狀態下的開關損耗和導通損耗增加。
另外，從上面的波形可以看到，對於一定的柵極驅動電壓，在短路工作狀態下，功率MOSFET導通有一個最大的持續時間，在設計電路時為了保證一定的裕量，通常短路保護時間要小於上述最大持續時間的50%，從而保證功率MOSFET不會損壞。
3.功率MOSFET短路損壞模式
MOSFET在短路過程中的損壞模式一般可分為以下 三種:
3.1.過流損壞
在功率MOSFET內部結構中，存在-個寄生NPN三極體 ，此三極體由N+- PBODY-NEPI構成。高的電流Id流過功率MOSFET會使NPN三極體的基極產生Vbe壓降，從而使NPN觸發導通，功率MOSFET提前失效。
3.2.過壓損壞
過壓損壞是短路過程中最常見的損壞模式。在短路時，功率MOSFET會流過很大的電流，如果控制迴路檢測到過電流後快速關斷功率MOSFET，則在功率MOSFET的漏極會產生一個很高的電壓尖峰VSPIKE，從而使MOSFET進人雪崩狀態而損壞。
產生尖峰電壓值為VSPIKE=VIN+ LP di/dt
其中: VIN為電源電壓，Lp為線路寄生電感。因此應該盡部減小電路的寄生電感並控制功率MOSFET的關斷速度，確保其不進人雪崩狀態。
圖3為AOT460在用作負載開關應用中的短路測試波形，輸入電壓VIN為24V。AOT460標稱電壓為60V，實際耐壓大約為70V左右。
圖3: AOT460短路測試 (a) RG=500Ω；(b) RG=1.5KΩ
圖3a的柵極驅動電阻為500Ω，由於較小的驅動電阻，關斷時的電壓尖峰達96V，功率MOSFET進入雪崩狀態並很快失效，在關斷的過程中功率MOSFET的電流不能回零。
圖3b的柵極驅動電阻為1.5KΩ，其關斷速度較慢，電壓尖峰僅75V，功率MOSFET未進入雪崩狀態，所以功率MOSFET能安全關斷。
驅動電阻的設定要根據實際的應用來確定。此應用為負載開關應用，所以開關損耗並不起主導作用，可以將驅動電阻選得較大。如果在高頻應用場合，就不能選擇如此大的驅動電阻。在設計中，應儘量減小PCB寄生電感、變壓器的漏感，引線電感等，從而減小電壓尖峰。
3.3.過功率損壞
由於MOSFET在短路期向工作在飽和區，MOSFET的漏極
由式(2)可知，當電流為Idsm =Vdd/ 2Rs時，MOSFET耗散的功率最大，為Pmax =Vdd2/4Rs，此時MOSPET的 導通電阻與迴路的等效阻抗Rs相等。
圖2測試電路中的引數為: VDD=30V, Rs=25mΩ, 根據此引數可以繪出如圖4的功率曲線圖。由圖4可知，當Vgs=8V，IPEAK,=500A時，MOSFET的耗散功率不經過最大功率點；當VGS=13V, IPEAK=1000A時，MOSFET的耗散功率經過最大功率點，且大電流持續時間長。
圖4:功率曲線與漏極電流的關係
表1中列出了不同柵極電阻對開關速度的影響，電阻越小，關斷速度越快，di/dt越高，VSPIKE也越高， MOSFET越容易損壞。
表1：柵極電阻對開關速度的影響
電壓和電流都很大，所以MOSFET的功耗將會很高。圖1模型中的MOSFET的功耗可透過式(2)計算公式：
在功率MOSFET選型方面，為了獲得較強的抗短路能力的MOSFET，最好選擇在大電流時具有較小跨導的MOSFET，從而獲得較低的短路峰值電流，降低短路時的功耗，提高電路的可靠性。
4.結論
(1 )在系統短路條件下，功率MOSFET工作於飽和區，柵極驅動電壓是控制最大短路電流的決定因素。
(2)選取較小跨導，合適的柵極驅動電壓，快的短路保護時間，可以防止功率MOSFET產生過流和過功率損壞。
(3)選取合適驅動電阻，降低迴路寄生電感，保證功率MOSFET足夠的電壓裕量，可以防止功率MOSFET產生過壓損壞。
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