實(shí)際應(yīng)用條件下Ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ開關(guān)特性研究（下）

摘 要：從功率MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)和極間電容的電壓依賴關(guān)系出發(fā)，對功率MOSFET 的開關(guān)現(xiàn)象及其原因進(jìn)行了較深入分析。從實(shí)際應(yīng)用的角度，對功率MOSFET開關(guān)過程的功率損耗和所需驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行了研究，提出了有關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法，并對多種因素對開關(guān)特性的影響效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，所得出的結(jié)論對于功率MOSFET的正確運(yùn)用和設(shè)計(jì)合理的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：功率MOSFET;開關(guān)現(xiàn)象;開關(guān)特性;密勒效應(yīng);開關(guān)損耗

中圖分類號：TN386 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1004373X(2008)0514504

Research on the Switching Property of Power Mosfet under Practical Application Conditions(Ⅱ)

FANG Bo1，ZHANG Yuanmin1，CUI Weiqun2

(1.School of Electronics Information Engineering，Xuchang University，Xuchang，461000，China;

2.Electronics Information Engineering Department，Information Engineering University，Zhengzhou，450001，China)

Abstract：Starting from the internal cell structure of power MOSFET and the inter-junction parametric capacitances，the Switching phenomenon of Power MOSFET and its cause of formation are analyzed in depth.The switching power loss and driving power are studied as viewed from practical applications.The calculation methods for relative parameters are proposed and various kinds of factors which make impacts on switching processes are studied by experiments.The conclusions are significant for proper usage of power MOSFET and design of driving circuit.

Keywords：power MOSFET;switching phenomenon;switching property;Miller effect;switching loss

目前在實(shí)際應(yīng)用中功率MOSFET仍以硬開關(guān)工作方式為主，一方面隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)器件的開關(guān)損耗越來越嚴(yán)重，另一方面功率MOSFET在開關(guān)過程中電壓電流發(fā)生急劇變化，多種因素相互影響，彼此關(guān)聯(lián)，如果使用不當(dāng)將導(dǎo)致器件失效，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰，引發(fā)嚴(yán)重事故，因此，分析功率MOSFET的開關(guān)特性，研究各種因素對開關(guān)過程的影響，從而保證器件安全可靠地工作并盡可能地減少開關(guān)損耗是十分重要的。

國內(nèi)外許多相關(guān)文獻(xiàn)對功率MOSFET開關(guān)特性的研究或者側(cè)重于器件設(shè)計(jì)本身，或者是在特定的實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的，所得結(jié)論不適用于阻性負(fù)載的實(shí)際應(yīng)用情況，《實(shí)際應(yīng)用條件下Power MOSFET開關(guān)特性研究(上)》(見本刊2007年第21期175-178頁)已經(jīng)詳細(xì)地分析了一般應(yīng)用條件下(阻性負(fù)載)功率MOSFET的開關(guān)過程，本文進(jìn)一步從功率MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析了功率MOSFET的開關(guān)現(xiàn)象，重新確立了阻性負(fù)載應(yīng)用條件下開關(guān)損耗的近似計(jì)算公式，并對多種因素對開關(guān)特性的影響效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

1 功率MOSFET 的開關(guān)現(xiàn)象

1.1 [ZK(]功率MOSFET內(nèi)部結(jié)構(gòu)和極間電容的電壓依賴關(guān)系[BT)]

為提高器件的耐壓和耐流能力， 功率MOSFET一般都采用垂直導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，圖1所示為VDMOSFET(N溝道)的內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)圖。其中，柵源之間、漏源之間和柵漏極之間均存在著極間電容，這些電容的大小及其變化成為影響功率MOSFET開關(guān)過程的關(guān)鍵因素。由圖中可以看出，柵源電容CGS主要由三部分組成，即：

1.2 功率MOSFET開關(guān)行為^[4，5]

在功率MOSFET的實(shí)際應(yīng)用中，許多情況下其負(fù)載都是電阻性或近似阻性的，因此本文在阻性負(fù)載條件下研究功率MOSFET開關(guān)行為。功率MOSFET的開通過程大致可分為下述4個(gè)階段，如圖3所示。

3 驅(qū)動(dòng)功率[STBZ]^[5]

從能量損耗的角度，一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)驅(qū)動(dòng)器為驅(qū)動(dòng)MOSFET所消耗的能量包括兩部分，即導(dǎo)通期間消耗的能量和關(guān)斷期間消耗的能量。

導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)器所提供的全部能量一部分通過MOSFET的輸入電容Ciss存儲(chǔ)起來，一部分通過電阻(Rdrh+RGext+RGint)被消耗掉，被消耗掉的這部分能量:

4 開關(guān)特性實(shí)驗(yàn)

4.1 開關(guān)過程影響因素實(shí)驗(yàn)

本文在設(shè)定主回路電壓VDC=280 V，開關(guān)頻率為fs=80 kHz，阻性負(fù)載的實(shí)驗(yàn)條件下，采用IR2110作為驅(qū)動(dòng)器對影響功率MOSFET開關(guān)過程的多種因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

圖7(a)，(b)分別為開通和關(guān)斷過程不同驅(qū)動(dòng)源電壓下的柵源電壓VGS實(shí)驗(yàn)波形，功率MOSFET為IRF840，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：驅(qū)動(dòng)電源VCC的大小對開關(guān)過程的影響明顯，隨著VCC增大，開通速度加快，但關(guān)斷延遲時(shí)間變長，因此，VCC大小應(yīng)適當(dāng)。

圖8為開通過程不同柵極電阻下的柵源電壓VGS實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：柵極電阻的大小對開關(guān)過程的影響很大，隨著RG減小，開關(guān)速度加快，但當(dāng)RG過小時(shí)，柵極回路將發(fā)生振蕩，對開關(guān)過程的安全可靠性不利。

圖9為開通過程不同漏極電流下的柵源電壓VGS實(shí)驗(yàn)波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：漏極電流的大小對開關(guān)過程的影響主要表現(xiàn)為對平臺(tái)期柵極電壓的影響，隨著ID增大，平臺(tái)期柵極電壓VGS(PL)將增大(二者之間的關(guān)系由MOSFET器件手冊的輸出特性曲線給出)，因此，主回路負(fù)載的大小對開關(guān)速度沒有顯著的影響。

圖10為開通過程不同MOSFET器件的柵源電壓VGS波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不同功率MOSFET其開關(guān)特性不同，這是由于不同的器件其結(jié)構(gòu)參數(shù)不同，因而CGS，CGD和CDS等電氣參數(shù)不同，故開關(guān)特性不同。因此在功率MOSFET應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的器件型號來設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路。

4.3 驅(qū)動(dòng)功率實(shí)驗(yàn)測算

在本文圖11的實(shí)驗(yàn)條件下，柵極電荷量QG可通過實(shí)驗(yàn)和近似估算得到，QG=∫t4t0iGdt50 nC，故驅(qū)動(dòng)IRF840型MOSFET所需的平均功率由式(11)計(jì)算約為60 mW。因此，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)驅(qū)動(dòng)器所提供的驅(qū)動(dòng)功率不是考慮的主要問題。

5 結(jié) 語

本文從功率MOSFET實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，分析了功率MOSFET的開關(guān)現(xiàn)象，對功率MOSFET開關(guān)過程的功率損耗和所需驅(qū)動(dòng)功率進(jìn)行了研究，提出了有關(guān)參數(shù)的計(jì)算方法，并對多種因素對開關(guān)特性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論：

(1) 阻性負(fù)載條件下功率MOSFET的開通和關(guān)斷過程均可分為四個(gè)階段，其中第二階段和第三階段至關(guān)重要，器件的開關(guān)速度和開關(guān)損耗均主要取決于這兩個(gè)階段。

(2) 功率MOSFET所特有的開關(guān)現(xiàn)象(輸入等效電容急劇增大而出現(xiàn)平臺(tái)現(xiàn)象)是由

開通和關(guān)斷過程的第二階段和第三階段CGD的變化和密勒效應(yīng)的雙重原因共同引起的。

(3) 柵極電阻對開關(guān)速度和開關(guān)損耗有顯著影響，而驅(qū)動(dòng)源電壓對開通過程和關(guān)斷過程持續(xù)時(shí)間和損耗的分配有顯著影響，可通過降低驅(qū)動(dòng)源電壓使總開關(guān)損耗減小。但驅(qū)動(dòng)源電壓的大小同時(shí)影響MOSFET的導(dǎo)通電阻，從而影響通態(tài)損耗，因此驅(qū)動(dòng)源電壓的選取應(yīng)適當(dāng)。

(4) 功率MOSFET器件數(shù)據(jù)手冊所給出的開關(guān)過程有關(guān)參數(shù)如Ciss，Coss，Crss，柵極電荷Q以及Tr，Tf等都是在特定的測試電路(如恒流負(fù)載、恒流驅(qū)動(dòng)源)和測試條件下取得的，其數(shù)值對于功率MOSFET的實(shí)際應(yīng)用的幫助是有限的，開關(guān)過程有關(guān)具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用場合和具體條件進(jìn)行計(jì)算或?qū)嶒?yàn)得到。

上述結(jié)論對于功率MOSFET的正確運(yùn)用和設(shè)計(jì)合理的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路具有指導(dǎo)意義。

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作者簡介

方 波 男，1973年出生，講師，工學(xué)碩士，中國高校電子教育學(xué)會(huì)會(huì)員。研究方向?yàn)楦哳l開關(guān)電源技術(shù)。

張?jiān)?男，1963年出生，副教授，許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院院長，中國高等學(xué)校電子教育學(xué)會(huì)常務(wù)理事。研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)與電源技術(shù)應(yīng)用。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。”