結電容對功率MOSFET關斷特性的影響分析

丁繼 唐開鋒

摘?要：為了分析功率MOSFET關斷特性，本文基于結電容的概念探討了功率MOSFET關斷過程的機理并推導了數學模型，表明了MOSFET關斷過程存在“柵控”和“容控”兩種控制模式;建立了功率MOSFET的Spice模型，仿真結果對數學模型進行了驗證;設計了雙脈沖實驗，實驗結果與模型和仿真結果一致。研究結論有助于器件設計優化和應用改善。

關鍵詞：關斷特性;結電容;Spice模型;雙脈沖

1 引言

功率 MOSFET（metal-oxide-semiconductor field-effecttransistor，金屬氧化物場效應管 ） 作為開關器件在電力電子領域廣泛應用，隨著新能源技術的發展，第三代半導體技術的成熟，功率 MOSFET 迎來了快速發展的機會，但復雜多樣的應用環境，各不相同的器件參數，給功率 MOSFET 設計和應用提出新的要求。功率MOSFET 關斷特性是器件應用的重要影響因素，在大功率、冷啟動或者短路保護等應用中，由于電流較大，關斷速度較快，常常出現嚴重的振蕩，導致電磁干擾、性能降低甚至系統失效的問題 [1]。結電容是功率 MOSFET內部寄生電容，與器件關斷特性密切相關 [2]，基于結電容概念對功率 MOSFET 關斷過程進行分析，建立 Spice模型進行仿真，并設計了雙脈沖實驗進行驗證。通過對結電容對功率 MOSFET 關斷特性的影響進行分析，有利于設計和應用人員對器件特性的了解，有助于器件設計優化和應用改善。

2 功率MOSFET關斷過程分析

功率 MOSFET 內部存在不同的寄生電容，柵極和源極之間的電容 Cgs 又叫做輸入電容，漏極和源極之間的電容 Cds 又叫做輸出電容，漏極和柵極之間的電容Cgd 又叫做米勒電容。通常數據手冊上提供的電容為C CC iss gs rss=+、 C C rss gd=和 C CC oss ds gd=+[3]。器件的關斷過程同時也是結電容的充電過程，因此器件的關斷特性與三個電容密切相關。

2.1 關斷過程

功率 MOSFET 應用在不同拓撲中，但基本結構如圖 2 所示。當下管關閉的時候，根據電感電流不突變的特性，電感電流 iL 幾乎不變，可以將電感當作恒流源;下管電壓升高的同時上管的電壓按照相同的變化率降低，可以認為是兩個并聯的電容。等效電路如圖 3 所示，其中 Cgd 、 Cds 為下管的結電容， Cp 為上管的結電容以及寄生電容;iL 為關閉時刻電感電流;iCh 為下管溝道電流。因此，當器件關閉的時候，電感電流 iL 分為 iCgd 、iCds 、?iCp 和?iCh 幾部分。

2.2 關斷兩種控制方式

通常我們認為器件的關斷速度 （dv/dt） 由公式 （1） 決定 [4]，在這種情況下，當 iL 電流保持不變，關斷速度由器件的結電容決定，電容越大，關斷速度越慢;電容越小，關斷速度越快。電感電流完全用于電容充電，溝道電流 iCh 為 0，關斷速度較快，稱這種控制模式為“容控”。

“容控”的理論需要滿足一個前提，即驅動電路提供的驅動電流不受限制。在實際應用當中，由于器件的寄生電阻、線路阻抗、驅動電路驅動能力或者關斷電阻，驅動電流 ig 不是無限大。當 Cgd 分得的電流 iCgd 小于驅動電流 ig ，此時關斷 dv/dt 為公式 （1） 決定的“容控”模式。當 Cgd 分得的電流大于驅動電流， iCgd 最大只能到驅動電流，不能繼續增加，dv/dt 不能無限制增加，此時關斷dv/dt 受式 （2） 控制，即器件的關斷速度主要由結電容Cgd 和驅動參數決定，增加電感電流不能增加關斷速度，多余的電流從器件溝道流過， iCh 電流不為 0，稱這種控制模式為“柵控”。

在器件在關斷過程中， iCgd 滿足式 （4） 的關系， iCgd與 dv/dt 不直接相關，主要決定于電容的比例和電流的大小，由于功率 MOSFET 的非線性特性，當電感電流iL 固定時，在器件關斷過程中可能存在“柵控”和“容控”分段存在的現象，如先進入“容控”，再進入“柵控”。

3 基于Spice仿真分析

我們建立了 Spice 模型 [5][6]，并帶入不同的電容曲線對 MOSFET 關斷過程進行分析。仿真軟件為 Pspicelite，仿真電路為雙脈沖電路，通過改變電容曲線和電感電流，觀察 100～300 V 范圍內的 dv/dt 變化。

圖 4 為第一種電容曲線的仿真結果。如圖所示，柵壓 Vgs 進入到米勒平臺后，溝道電流少量減小， Vds 電壓緩慢上升;在進入到米勒平臺后段，Vds 電壓快速上升，同時溝道電流 iCh 快速下降到 0，電路中的 iL 電流轉移到結電容中，因此 dv/dt 快速上升;當 iL 電流由 5 A 增加到 10 A 時，dv/dt 由 26.2 V/ns 增加到 52.2 V/ns，關斷過程處于“容控”模式。應用中如果想減小“容控”下的關斷速度，可以增加 Cds 電容。

圖 5 為第二種電容曲線的仿真結果。在 Vds 電壓快速上升階段，溝道電流不為 0，只有部分電流轉移到結電容中，因此關斷 dv/dt 上升較慢。當 iL 電流由 5 A 上升到 10 A，關斷 dv/dt 由 12.6 V/ns 上升到 13.8 V/ns，幾乎不變，關斷過程處于“柵控”模型。應用中如果想減小“柵控”下的關斷速度，可以增加驅動關斷電阻。

圖 6 為第三種電容曲線的仿真結果。在 5 A 電流的工況下與第一種電容曲線相同，溝道中沒有電流，關斷過程處于“容控”模式。當電流上由 5 A 上升到 10 A，溝道電流先下降為0后又上升，dv/dt也是有一定的增加。關斷過程經歷了由“容控”進入“柵控”的過程。

器件設計和應用中，應當使正常工作時器件處于容控，可以減小系統損耗;而在冷啟動或者短路保護時，電流突然增加，器件處于柵控，可以減小關斷 dv/dt，避免產生振蕩損壞器件。

4 雙脈沖測試驗證

通過雙脈沖實驗對器件關斷過程進行驗證。雙脈沖平臺為自主設計，包含了信號源 Agilent 81110A，1 000 V 高壓電源模塊，示波器 Keysight DSO9104A。待測器件為 3 A 700 V 超結 MOSFET 產品，驅動電壓10 V，電感 1.2 mH，改變條件看關斷電壓 100～300 V的 dv/dt 變化。

保持電流 iL 不變，逐漸增加關斷電阻 Rg。結果如圖 7 所示，當 Rg 小于 200 Ω 時，增加 Rg 對器件關斷 dv/dt幾乎沒有影響，但 Rg 超過 200 Ω 時，繼續增加 Rg 將減小器件關斷 dv/dt。由于增加 Rg 會減小線路的驅動電流，當驅動電流小于 Cgd 分得的電流后，器件由“容控”進入“柵控”，繼續增加 Rg 減小關斷的 dv/dt。

保持 Rg 不變，逐漸增加 iL 電流，當電流小于 1.78 A時，關斷 dv/dt 隨著 iL 的增加而增加;但 1.78 A 以后，增加 iL 并不能改變關斷 dv/dt。當電流較小時，器件處于“容控”，關斷 dv/dt 隨電流增加而增加;當電流較大時，Cgd 分的電流大于驅動線路提供的電流，器件進入“柵控”，驅動保持不變時，關斷 dv/dt 不隨電流變化而變化。

5 結語

功率 MOSFET 在關斷過程中存在“柵控”和“容控”兩種控制模式，其中“柵控”中關斷速度由驅動線路和Cgd 決定，與電感電流無關;而“容控”模式中關斷速度由電感電流和 Coss 決定，與驅動線路無關。根據電容的比例，關斷過程中可以在不同階段存在不同的控制模式。本文建立了器件的 Spice 模型驗證了相關理論，并分析了兩種模式下的溝道電流;設計的雙脈沖實驗驗證了兩種模式的存在。

分析過程中忽略了電容的非線性、寄生電感、跨導以及閾值電壓等因素的影響，同時“柵控”和“容控”兩種模式和電容之間的規律缺乏量化分析，問題將在后續工作中繼續研究。

參考文獻：

[1] 劉松，曹雪，劉瞻.超結高壓MOSFET驅動電路及EMI設計[J].電子產品世界，2021（6）：77-82.

[2] 余寶偉.大功率SiC MOSFET驅動電路及功率回路振蕩問題研究[D].北京：北京交通大學，2021.

[3]BALIGAJB. Fundamentalsofpowersemiconductor devices[M].Springer International Publishing AG. 2018：410-414.

[4] ZOJERB， VILLACH.Anewgatedrivetechnique for superjunctionMOSFETStocompensatetheeffects ofcommonsourceinductance[C].IEEEAppliedPower ElectronicsConferenceandExposition（APEC），2018： 2763-2768.

[5]LAAFARS， MAALIA，BOUMAAZ N.Spiceelectrical model of cool mostransistor considering quasi-saturation effect[J].Journalof TheoreticalandAppliedInformation Technology， 2020，98（11），1927-1936.

[6]DUANJL，FANT， WENXH.ImprovedSiCpower MOSFET model considering nonlinear?junction capacitances[C]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018：2509-2517.