Warn成立于1947年,是绞盘研发与生产的领先企业之一。曾经作为美国军方的指定绞盘供应商,产品被全球100多个国家和地区的客户采购。

电动绞盘使用大功率直流电机驱动,并利用变速机构输出强大力量带动轮鼓工作。电机在大功率、强电流、持续工作状态下产生大量热能,如不能够采取有效的保护措施,电机将因过热失效(永磁电机),以至于烧毁电机。因此在电动绞盘的通用手册上,绞盘厂方提示用户“不要在满载下连续工作超过一分钟,以免电机烧坏”。

除了如何凭用户经验来保护绞盘电机外,生产技术上也力求采用监控模块来控制绞盘工作状态下的负载、电流、温度等关键参数,Warn推出具有“自诊断”功能的系列绞盘,如9.5ti具有温度自检功能。

而9.5si采用M.O.S.F.E.T.诊断控制模块,可以有效监控欠压、过压、电流强度等电气指标。

以下我们对M.O.S.F.E.T.进行简单的分析。Don Zaremba 在eettaiwan.com发布的《汽车电子系统使用自保护MOSFET需考虑的因素》可以作为一个参考。

汽车电子系统中使用的功率组件必须能抵受极为严峻环境的考验:它们必须能承受关闭瞬流和负载切断电源故障引起的高压突波;若环境工作温度超过120℃,组件结温则将随之而来升高;线束中的众多连接器位于方便组装和维修的位置,这可能造成组件电气连接的间断。由于新的负载需要的功率越来越大,所以即使在正常的条件下工作,组件承受的压力也明显加大。

为了提高系统可靠性并降低保修成本,设计人员在功率组件中加入故障保护电路,以免组件产生故障,避免对电子系统造成高代价的损害。这通常利用外部传感器、分离电路和软件来实现,但是在更多情况下,设计人员使用完全自保护的MOSFET功率组件来完成。随着技术的发展,MOSFET功率组件能够以更低的系统成本提供优异的故障保护。

图1显示了完全自保护MOSFET的一般拓朴结构。这些组件常见的其它特性包括状态指示、数字输入、差分输入和过压及欠压切断。高阶配置包括芯片上电荷泵功能。但是,大多数组件都具备三个电路模块,即电流限制、温度限制和漏-源过压箝制,为组件提供大部份的保护。

图1:完全自保护MOSFET的一般拓朴结构。

短路故障

最常见也最麻烦的故障可能是短路。这类故障有以下几种形式:负载间的短路、开关间的短路或电源接地的短路。而且,这些短路组件启动和关闭时都会产生。由于短路故障通常是间歇性,即使在很短时间中就存在多种形式,使问题更为棘手。例如,在组件之间产生短路而MOSFET关闭的情况下,电流透过短路向MOSFET周围分流。

然而,如果短路是间歇性、负载为电感的情况下,电流中断将在MOSFET上产生一个反驰(flyback)电压。根据短路持续的时间和电阻,负载电感中的峰值电流可能会高于正常工作时的峰值电流。因此,组件比预期吸收更多的能量,而且多个间歇性短路事件的快速连续产生会导致峰值结温急剧升高,从而对组件产生潜在的破坏性。

过温故障

其它故障包括组件接脚的静电放电(ESD)、线路瞬流或电感负载开关引起的过压,还有就是过热。过温故障通常由其它故障引起,如短路便会快速增加组件的功耗,也可能由极端环境条件或热路径异常引起,如组件散热器和电路板之间的焊料失效。在诸多故障模式下,自保护MOSFET产品的控制电路以一种安全模式来检测并控制组件工作,使组件在故障修复后可以恢复正常功能。

由于主动组件(MOSFET闸极氧化物接口除外)已与闸极输入接脚连接,因此漏极与源极之间短路时,此接脚的泄漏电流(50-100uA)比标准MOSFET泄漏电流的测量值(< 50nA)大三个数量级。泄漏电流的增加通常不会对闸极驱动电路产生影响,但是,闸极驱动电路必须能够在电流限制或热关机故障情况下驱动足够大的电流。在过流和过温故障的情况下,组件一般将功率MOSFET闸极节点电压下拉至接近饱和的工作闸限电压或零伏,以完全关闭组件。

通常闸极输入接脚和功率MOSFET闸极节点之间存在一个串联电阻(Rsin-Vgate)/Rs。组件通常在结温超过预设限制温度时关闭。在这种情况下,Vgate=0伏,所以在过温故障时必须产生一个等于Vin/Rs的最小源极电流。否则,内部闸极下拉电路将无法关闭功率场效应管,使其结温可能达到产生破坏作用的水平。

过温保护

通常过温保护是透过对主功率MOSFET主动区域的温敏组件(一般为二极管)设置偏压来实现的。若这些组件侦测到芯片结温超过过温设定值时,电路将主功率MOSFET闸极拉至地,关闭该组件。一些组件内建滞后电路,使组件可以在芯片结温稍微下降(一般下降10℃-20℃)后返回导通状态。图2显示安森美的NIF5022N组件短路电流和时间响应之间的关系。在其它组件中,若检测到过温故障情况,电流将锁存,而输入接脚必须固定对锁存进行重置。

在过温故障情况下,必须考虑两个主要问题。首先,温度限制关断电路通常与电流限制电路协同工作,即电流限制电路将闸极节点驱动至接近阈值电压来使组件之进入饱和工作模式,以便保持电流限制设定点。在负载间短路的情况下,这意味着在通过高电流时,功率MOSFET上的压降接近电源电压。这种高功率情况很快地引起过温故障。对于采用热滞后电路让零件在过温故障情况下循环导通和关闭的组件,结温将稳定在滞后电路高低设定点之间的温度。这与高温可靠性测试类似,都取决于组件在故障情况下的工作时间。一般来说,当组件的可靠性下降变成一个受重视的问题时,别指望在故障情况下该组件工作几千小时或更长时间。

图2:NIF5022N组件短路电流和时间响应之间的关系。

更切合实际的考虑是,当应用电路在故障情况下将闸极输入循环地打开并关闭,使结温可以在过温事件之间的这段时间中进行冷却。在这种情况下,组件进入内部热循环,组件承受的热循环数量有一定的限制。循环的次数与许多因素有关,包括结温幅度差、温度侦测布局和电路设计、硅结构、封装技术等。设计人员必须清楚应用电路是否可以在短路或其它激发过温保护故障情况下对受保护的MOSFET进行循环,然后评估组件在这些情况下的可靠性。这种故障模式分析可省去昂贵的场回路。

第二个问题涉及到当过温保护无效、随后可能产生组件故障时组件的工作情况。当关闭电感负载时,组件必须吸收储存在负载电感中的能量。对于标准的MOSFET,这种工作模式称为非箝制感应开关(UIS)。在UIS事故中,组件的漏-源硅结处于雪崩状态,组件产生大量功耗(大小取决于雪崩电压和峰值电流值)。当MOSFET吸收的能量使结温超过硅结构的内部温度(一般超过300℃)时,UIS事故的普通故障模式将产生。当结温超过内部温度时,组件不再像一个半导体,闸极控制出错,而且组件会快速毁坏,除非漏极电源功率立即消失。自保护的MOSFET可能遭受同样的情况,因为当闸极输入电压对控制电路进行偏置时,由于闸极偏置为零,过温限制电路处于无效状态。在正常工作和最坏的故障情况下(如组件间歇性短路的情况),电路设计人员必须确保组件吸收的能量不超过最大额定值。另外,即使出现最高能量额定值,能量脉冲之间必须有足够的时间让结温冷却到初始结温。否则,结温在每个能量脉冲之后升高,最终达到内部故障温度。

若过温限制电路在电感负载关闭的情况下偏置,由于大多数自保护MOSFET采用主动过压箝制,过温保护可能仍处于无效状态。主动箝制电路中的关键组件是位于主功率MOSFET闸极和漏极连接之间的背靠背串联齐纳二极管。以此种状态堆栈的齐纳二极管的设计电压小于主功率MOSFET漏-源级的雪崩电压。因为闸极已关闭,所以当漏极电压超过闸-漏齐纳堆栈电压时,电流将流过堆栈和串联闸极电阻,流至地面。因此,在主功率MOSFET闸极产生接近阈值的电压,使MOSFET以正激线性工作模式传导负载电流。由于组件已导通,电感能量在主动区域以更均匀的电流密度耗散,与雪崩工作模式下的能量耗散方式不同。而且,因为箝制电压低于雪崩电压,所以组件在主动箝制模式下的瞬时功耗低于雪崩模式下的瞬时功耗。在主动箝制工作模式下切换电感负载时,这些行为使组件具备更强的能量处理能力。主动箝制由于具有上述特性,故经常在其它故障保护动作之前执行。设计人员必须确保组件能够吸收在最坏情况下所有可能的电感能量。

另外关于M.O.S.F.E.T.的独立产品可以参考以下的描述:

美国模拟器件公司(Analog Devices, Inc.,简称ADI)提供多种双MOSFET管驱动器,用于非隔离同步降压式DC/DC转换器。这些器件提供几种保护功能:欠压封锁、重叠驱动保护、过压保护和抗交迭保护。其它附加功能包括:可编程跳变延时、低静态电流、在轻载时提供更高的效率,以及快速关断两个驱动器的高速控制。我们有几种MOSFET管驱动器非常适合用于笔记本计算机的CPU电源。

通过对M.O.S.F.E.T.在应用角度的了解,相信我们有理由转而采购具有电气诊断模块的绞盘,或者增加安装独立的诊断模块。Warn针对绞盘用户开发了两型四款M.O.S.F.E.T.控制盒,以满足12V或者24V的工作电压需要,以及不同的安装方式。