為了提高系統(tǒng)可靠性并降低保修成本，設計人員在功率器件中加入故障保護電路，以免器件發(fā)生故障，避免對電子系統(tǒng)造成高代價的損害。這通常利用外部傳感器、分立電路和軟件來實現(xiàn)，但是在更多情況下，設計人員使用完全自保護的MOSFET功率器件來完成。隨著技術的發(fā)展，MOSFET功率器件能夠以更低的系統(tǒng)成本提供優(yōu)異的故障保護。
圖1顯示了完全自保護MOSFET的一般拓撲結構。這些器件常見的其他特性包括狀態(tài)指示、數(shù)字輸入、差分輸入和過壓及欠壓切斷。高端配置包括片上電荷泵功能。但是，大多數(shù)器件都具備三個電路模塊，即電流限制、溫度限制和漏-源過壓箝制，為器件提供大部分的保護。
圖1：完全自保護MOSFET的一般拓撲結構。
短路故障
最常見也最麻煩的故障可能是短路。這類故障有以下幾種形式：負載間的短路、開關間的短路或電源接地的短路。而且，這些短路器件啟動和關閉時都會發(fā)生。由于短路故障通常是間歇性，即使在很短時間中就存在多種形式，使問題更為棘手。
然而，如果短路是間歇性、負載為電感的情況下，電流中斷將在MOSFET上產(chǎn)生一個反激（flyback）電壓。根據(jù)短路持續(xù)的時間和電阻，負載電感中的峰值電流可能會高于正常工作時的峰值電流。因此，器件比預期吸收更多的能量，而且多個間歇性短路事件的快速連續(xù)發(fā)生會導致峰值結溫急劇升高，從而對器件產(chǎn)生潛在的破壞性。
過溫故障
其他故障包括器件引腳的靜電放電（ESD）、線路瞬流或電感負載開關引起的過壓，還有就是過熱。簡言之，ESD就是電荷的快速中和，電子工業(yè)每年花在這上面的費用有數(shù)十億美元之多。我們知道所有的物質都由原子構成，原子中有電子和質子。當物質獲得或失去電子時，它將失去電平衡而變成帶負電或正電，正電荷或負電荷在材料表面上積累就會使物體帶上靜電。電荷積累通常因材料互相接觸分離而產(chǎn)生，也可由摩擦引起，稱為摩擦起電。
有許多因素會影響電荷的積累，包括接觸壓力、摩擦系數(shù)和分離速度等。靜電電荷會不斷積累，直到造成電荷產(chǎn)生的作用停止、電荷被泄放或者達到足夠的強度可以擊穿周圍物質為止。電介質被擊穿后，靜電電荷會很快得到平衡，這種電荷的快速中和就稱為靜電放電。由于在很小的電阻上快速泄放電壓，泄放電流會很大，可能超過20安培，如果這種放電通過集成電路或其他靜電敏感元件進行，這么大的電流將對設計為僅導通微安或毫安級電流的電路造成嚴重損害。
由于有源元件（MOSFET門極氧化物接口除外）已與門極輸入引腳連接，因此漏極與源極之間短路時，此引腳的泄漏電流（50-100uA）比標準MOSFET泄漏電流的測量值（ 《 50nA）大三個數(shù)量級。泄漏電流的增加通常不會對門極驅動電路產(chǎn)生影響，但是，門極驅動電路必須能夠在電流限制或熱關機故障情況下驅動足夠大的電流。在過流和過溫故障的情況下，器件一般將功率MOSFET門極節(jié)點電壓下拉至接近飽和的工作門限電壓或零伏，以完全關閉器件。
通常門極輸入引腳和功率MOSFET門極節(jié)點之間存在一個串聯(lián)電阻Rs，所以吸收的輸入電流大約等于（Vin-Vgate）/Rs。器件通常在結溫超過預設限制溫度時關閉。在這種情況下，Vgate=0伏，所以在過溫故障時必須產(chǎn)生一個等于Vin/Rs的最小源極電流。否則，內(nèi)部門極下拉電路將無法關閉功率場效應管，使其結溫可能達到產(chǎn)生破壞作用的水平。
過溫保護
通常過溫保護是通過對主功率MOSFET有源區(qū)域的溫敏器件設置偏壓來實現(xiàn)的。若這些元件偵測到芯片結溫超過過溫設定值時，電路將主功率MOSFET門極拉至地，關閉該器件。圖2顯示安森美的NIF5022N器件短路電流和時間響應之間的關系。在其它器件中，若檢測到過溫故障情況，電流將鎖存，而輸入引腳必須固定對鎖存進行復位。
在過溫故障情況下，必須考慮兩個主要問題。首先，溫度限制關斷電路通常與電流限制電路協(xié)同工作，即電流限制電路將門極節(jié)點驅動至接近閾值電壓來使器件進入飽和工作模式，以便保持電流限制設定點。對于采用熱滯后電路讓零件在過溫故障情況下循環(huán)導通和關閉的器件，結溫將穩(wěn)定在滯后電路高低設定點之間的溫度。一般來說，當器件的可靠性下降變成一個受重視的問題時，別指望在故障情況下該器件工作幾千小時或更長時間。
圖2：NIF5022N器件短路電流和時間響應之間的關系。
更切合實際的考慮是，當應用電路在故障情況下將門極輸入循環(huán)地打開并關閉，使結溫可以在過溫事件之間的這段時間中進行冷卻。在這種情況下，器件進入內(nèi)部熱循環(huán)，器件承受的熱循環(huán)數(shù)量有一定的限制。循環(huán)的次數(shù)與許多因素有關，包括結溫幅度差、溫度偵測布局和電路設計、硅結構、封裝技術等。設計人員必須清楚應用電路是否可以在短路或其他激發(fā)過溫保護故障情況下對受保護的MOSFET進行循環(huán)，然后評估器件在這些情況下的可靠性。這種故障模式分析可省去昂貴的場回路。
第二個問題涉及到當過溫保護無效、隨后可能發(fā)生器件故障時器件的工作情況。當關閉電感負載時，器件必須吸收存儲在負載電感中的能量。對于標準的MOSFET，這種工作模式稱為非箝制感應開關（UIS）。在UIS事故中，器件的漏-源硅結處于雪崩狀態(tài)，器件產(chǎn)生大量功耗。自保護的MOSFET可能遭受同樣的情況，因為當門極輸入電壓對控制電路進行偏置時，由于門極偏置為零，過溫限制電路處于無效狀態(tài)。即使出現(xiàn)最高能量額定值，能量脈沖之間必須有足夠的時間讓結溫冷卻到初始結溫。否則，結溫在每個能量脈沖之后升高，最終達到內(nèi)部故障溫度。
若過溫限制電路在電感負載關閉的情況下偏置，由于大多數(shù)自保護MOSFET采用有源過壓箝制，過溫保護可能仍處于無效狀態(tài)。有源箝制電路中的關鍵元件是位于主功率MOSFET門極和漏極連接之間的背靠背串聯(lián)齊納二極管。以此種狀態(tài)堆棧的齊納二極管的設計電壓小于主功率MOSFET漏-源結的雪崩電壓。在主功率MOSFET門極產(chǎn)生接近閾值的電壓，使MOSFET以正激線性工作模式傳導負載電流。在有源箝制工作模式下切換電感負載時，這些行為使器件具備更強的能量處理能力。有源箝制由于具有上述特性，故經(jīng)常在其它故 障保護動作之前執(zhí)行。設計人員必須確保器件能夠吸收在最壞情況下所有可能的電感能量。
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