自動防擊穿保護MOSFET器件在H橋配置中的應(yīng)用-KIA MOS管

MOSFET作為功率開關(guān)元件廣泛應(yīng)用于調(diào)節(jié)器和馬達控制器。在各種H橋配置中，它們不僅可是分立器件也可集成到IC。

一般采用一個高側(cè)（HS）功率MOSFET，M1和一個低側(cè)（LS）MOSFET，M2的配置來驅(qū)動電感負(fù)載（圖1）。當(dāng)HS FET開啟，LS FET關(guān)閉時，從電源VCC出來的電流經(jīng)電感L0流出。當(dāng)HS FET關(guān)閉，LS FET開啟時，電感電流繼續(xù)同時從零點流入L0。

當(dāng)HS和LS功率FET同時開啟時，會發(fā)生所謂擊穿的嚴(yán)重短路的情況。即使我們從未打算同時開啟兩個FET，也可能發(fā)生擊穿。

例如，當(dāng)指令開啟HS FET，關(guān)閉LS FET時，邏輯傳播延遲，當(dāng)HS FET半開啟，LS FET半關(guān)閉時，給FET的門電容充電或放電需要一個較短的時間。如果這樣，電流直接從VCC經(jīng)過兩個FET流入GND（擊穿）。

圖1中，將我們?yōu)樽詣臃拦收螹OSFET擊穿保護所做的設(shè)計嵌入到半H橋拓?fù)洹S_ON信號通過HS驅(qū)動器開啟和關(guān)閉HS FET，它是由一個數(shù)字微控制器或由一個含有比較器或錯誤放大器的反饋回路產(chǎn)生的。

HS驅(qū)動器將低功率邏輯水平信號轉(zhuǎn)化為高功率HS_ON信號。同樣，LS_ON信號通過LS驅(qū)動器開啟和關(guān)閉LS FET。電路通過使兩個功率MOSFET具有正確的順序，來控制馬達系統(tǒng)或者三相調(diào)節(jié)器。

該保護配置自動檢測到HS和LS FET的傳導(dǎo)狀態(tài)。除非LS器件完全關(guān)閉，HS FET禁止開啟，反之亦然。我們的反擊穿設(shè)計在正常工作過程中充分保護了MOSFET H橋，在系統(tǒng)中有多個噪聲干擾或者錯誤控制程序的情況下，保證了自動防故障的運行。

為了開啟HS FET，系統(tǒng)將信號HS_ON設(shè)為高值。這個設(shè)計是這樣的：如果LS FET關(guān)閉（在此后更久），HS_EN為高值。HS_ON高值致使鎖LSR0裝置的輸出端QZ（LS_EN）為低值，使得LS FET不工作。同樣應(yīng)這種HS_ON的要求，HS驅(qū)動器通過用電壓穿過HS FET的門和源極（VGS）來開啟它。

通過HS VGS監(jiān)測器來檢測HS FET的開啟狀態(tài)，所以HS_IS_ON的信號探測到是高值，LS_EN_RST保持為低值。最終結(jié)果是LS_EN保持低值，而不允許開啟LS FET。只要HS FET開啟，LS FET就不可以運行。

為了使該配置運行，HS_ON必須用于NOR門（NOR0）輸入。這也確保只要HS_ON為高值時，LS_EN就得保持低值。

正常條件下，當(dāng)準(zhǔn)備開啟或已開啟HS FET時，HS_ON 和 HS_IS_ON足夠保持LS FET關(guān)閉。

實際應(yīng)用中，噪聲干擾（或系統(tǒng)錯誤）的出現(xiàn)常常會在控制信號中產(chǎn)生小故障，由于驅(qū)動器和VGS監(jiān)測器（邏輯型）的有限響應(yīng)時間，使得HS_IS_ON不可靠（VGS監(jiān)測器失效）。

在這種情況下，LS_EN_BLANK保證了自動防故障的運行，如下所述。

每次HS_ON從低值轉(zhuǎn)為高值時，一個邊緣探測器（R0， C3， AND4）產(chǎn)生了一個短時間的20-ns的脈沖來開啟M0，開始一個脈沖周期（M0， C2， INV0），輸出一個150-ns的 LS_EN_BLANK脈沖來使LS_EN在低值保持150ns。

在這個150ns中，任何企圖開啟LS FET的操作都是反常的不安全的操作。因此，LS FET穩(wěn)定地保持關(guān)閉。I3UA是一個給C2充電的3-？A的電流源。由于20ns的短觸發(fā)脈沖，150ns過后是再次觸發(fā)。這確保即使在HS_ON線上出現(xiàn)多干擾小故障的情況下，該保護電路能正常運行。

我們這里以150ns為例，一般來說，一個脈沖周期必須長于HS VGS監(jiān)測器和HS驅(qū)動器，包括所有寄生元件貢獻的總信號傳播延遲。但是這一周期的長度要短于正常的HS_ON脈沖寬度，以避免干擾正常運行。為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，用鎖LSR0作為低通濾波器來過濾控制回路中的噪聲。

在圖2中，信號的第一欄（左邊）表示正常運行。信號名對應(yīng)圖1。當(dāng)HS_ON走高，命令驅(qū)動器開啟HS FET時，HS_FET_G-HS_FET_S升高。監(jiān)測電路探測到后，正確地顯示HS_IS_ON從而關(guān)閉LS FET（LS_EN為低值），直到HS FET完全關(guān)閉之后（HS_FET_G-HS_FET_S 接近零）。