丁繼 唐開(kāi)鋒

摘?要：為了分析功率MOSFET關(guān)斷特性，本文基于結(jié)電容的概念探討了功率MOSFET關(guān)斷過(guò)程的機(jī)理并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型，表明了MOSFET關(guān)斷過(guò)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(jié)果對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證;設(shè)計(jì)了雙脈沖實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型和仿真結(jié)果一致。研究結(jié)論有助于器件設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)用改善。

關(guān)鍵詞：關(guān)斷特性;結(jié)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(chǎng)效應(yīng)管 ） 作為開(kāi)關(guān)器件在電力電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，第三代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，功率 MOSFET 迎來(lái)了快速發(fā)展的機(jī)會(huì)，但復(fù)雜多樣的應(yīng)用環(huán)境，各不相同的器件參數(shù)，給功率 MOSFET 設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出新的要求。功率MOSFET 關(guān)斷特性是器件應(yīng)用的重要影響因素，在大功率、冷啟動(dòng)或者短路保護(hù)等應(yīng)用中，由于電流較大，關(guān)斷速度較快，常常出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩，導(dǎo)致電磁干擾、性能降低甚至系統(tǒng)失效的問(wèn)題 [1]。結(jié)電容是功率 MOSFET內(nèi)部寄生電容，與器件關(guān)斷特性密切相關(guān) [2]，基于結(jié)電容概念對(duì)功率 MOSFET 關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行分析，建立 Spice模型進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)了雙脈沖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)結(jié)電容對(duì)功率 MOSFET 關(guān)斷特性的影響進(jìn)行分析，有利于設(shè)計(jì)和應(yīng)用人員對(duì)器件特性的了解，有助于器件設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)用改善。

2 功率MOSFET關(guān)斷過(guò)程分析

功率 MOSFET 內(nèi)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(shù)據(jù)手冊(cè)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(guān)斷過(guò)程同時(shí)也是結(jié)電容的充電過(guò)程，因此器件的關(guān)斷特性與三個(gè)電容密切相關(guān)。

2.1 關(guān)斷過(guò)程

功率 MOSFET 應(yīng)用在不同拓?fù)渲?，但基本結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。當(dāng)下管關(guān)閉的時(shí)候，根據(jù)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(dāng)作恒流源;下管電壓升高的同時(shí)上管的電壓按照相同的變化率降低，可以認(rèn)為是兩個(gè)并聯(lián)的電容。等效電路如圖 3 所示，其中 Cgd 、 Cds 為下管的結(jié)電容， Cp 為上管的結(jié)電容以及寄生電容;iL 為關(guān)閉時(shí)刻電感電流;iCh 為下管溝道電流。因此，當(dāng)器件關(guān)閉的時(shí)候，電感電流 iL 分為 iCgd 、iCds 、?iCp 和?iCh 幾部分。

2.2 關(guān)斷兩種控制方式

通常我們認(rèn)為器件的關(guān)斷速度 （dv/dt） 由公式 （1） 決定 [4]，在這種情況下，當(dāng) iL 電流保持不變，關(guān)斷速度由器件的結(jié)電容決定，電容越大，關(guān)斷速度越慢;電容越小，關(guān)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(guān)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(gè)前提，即驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)電流不受限制。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，由于器件的寄生電阻、線路阻抗、驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)能力或者關(guān)斷電阻，驅(qū)動(dòng)電流 ig 不是無(wú)限大。當(dāng) Cgd 分得的電流 iCgd 小于驅(qū)動(dòng)電流 ig ，此時(shí)關(guān)斷 dv/dt 為公式 （1） 決定的“容控”模式。當(dāng) Cgd 分得的電流大于驅(qū)動(dòng)電流， iCgd 最大只能到驅(qū)動(dòng)電流，不能繼續(xù)增加，dv/dt 不能無(wú)限制增加，此時(shí)關(guān)斷dv/dt 受式 （2） 控制，即器件的關(guān)斷速度主要由結(jié)電容Cgd 和驅(qū)動(dòng)參數(shù)決定，增加電感電流不能增加關(guān)斷速度，多余的電流從器件溝道流過(guò)， iCh 電流不為 0，稱這種控制模式為“柵控”。

在器件在關(guān)斷過(guò)程中， iCgd 滿足式 （4） 的關(guān)系， iCgd與 dv/dt 不直接相關(guān)，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(dāng)電感電流iL 固定時(shí)，在器件關(guān)斷過(guò)程中可能存在“柵控”和“容控”分段存在的現(xiàn)象，如先進(jìn)入“容控”，再進(jìn)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(duì) MOSFET 關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行分析。仿真軟件為 Pspicelite，仿真電路為雙脈沖電路，通過(guò)改變電容曲線和電感電流，觀察 100～300 V 范圍內(nèi)的 dv/dt 變化。

圖 4 為第一種電容曲線的仿真結(jié)果。如圖所示，柵壓 Vgs 進(jìn)入到米勒平臺(tái)后，溝道電流少量減小， Vds 電壓緩慢上升;在進(jìn)入到米勒平臺(tái)后段，Vds 電壓快速上升，同時(shí)溝道電流 iCh 快速下降到 0，電路中的 iL 電流轉(zhuǎn)移到結(jié)電容中，因此 dv/dt 快速上升;當(dāng) iL 電流由 5 A 增加到 10 A 時(shí)，dv/dt 由 26.2 V/ns 增加到 52.2 V/ns，關(guān)斷過(guò)程處于“容控”模式。應(yīng)用中如果想減小“容控”下的關(guān)斷速度，可以增加 Cds 電容。

圖 5 為第二種電容曲線的仿真結(jié)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(zhuǎn)移到結(jié)電容中，因此關(guān)斷 dv/dt 上升較慢。當(dāng) iL 電流由 5 A 上升到 10 A，關(guān)斷 dv/dt 由 12.6 V/ns 上升到 13.8 V/ns，幾乎不變，關(guān)斷過(guò)程處于“柵控”模型。應(yīng)用中如果想減小“柵控”下的關(guān)斷速度，可以增加驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電阻。

圖 6 為第三種電容曲線的仿真結(jié)果。在 5 A 電流的工況下與第一種電容曲線相同，溝道中沒(méi)有電流，關(guān)斷過(guò)程處于“容控”模式。當(dāng)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(guān)斷過(guò)程經(jīng)歷了由“容控”進(jìn)入“柵控”的過(guò)程。

器件設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)使正常工作時(shí)器件處于容控，可以減小系統(tǒng)損耗;而在冷啟動(dòng)或者短路保護(hù)時(shí)，電流突然增加，器件處于柵控，可以減小關(guān)斷 dv/dt，避免產(chǎn)生振蕩損壞器件。

4 雙脈沖測(cè)試驗(yàn)證

通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)對(duì)器件關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證。雙脈沖平臺(tái)為自主設(shè)計(jì)，包含了信號(hào)源 Agilent 81110A，1 000 V 高壓電源模塊，示波器 Keysight DSO9104A。待測(cè)器件為 3 A 700 V 超結(jié) MOSFET 產(chǎn)品，驅(qū)動(dòng)電壓10 V，電感 1.2 mH，改變條件看關(guān)斷電壓 100～300 V的 dv/dt 變化。

保持電流 iL 不變，逐漸增加關(guān)斷電阻 Rg。結(jié)果如圖 7 所示，當(dāng) Rg 小于 200 Ω 時(shí)，增加 Rg 對(duì)器件關(guān)斷 dv/dt幾乎沒(méi)有影響，但 Rg 超過(guò) 200 Ω 時(shí)，繼續(xù)增加 Rg 將減小器件關(guān)斷 dv/dt。由于增加 Rg 會(huì)減小線路的驅(qū)動(dòng)電流，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于 Cgd 分得的電流后，器件由“容控”進(jìn)入“柵控”，繼續(xù)增加 Rg 減小關(guān)斷的 dv/dt。

保持 Rg 不變，逐漸增加 iL 電流，當(dāng)電流小于 1.78 A時(shí)，關(guān)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(guān)斷 dv/dt。當(dāng)電流較小時(shí)，器件處于“容控”，關(guān)斷 dv/dt 隨電流增加而增加;當(dāng)電流較大時(shí)，Cgd 分的電流大于驅(qū)動(dòng)線路提供的電流，器件進(jìn)入“柵控”，驅(qū)動(dòng)保持不變時(shí)，關(guān)斷 dv/dt 不隨電流變化而變化。

5 結(jié)語(yǔ)

功率 MOSFET 在關(guān)斷過(guò)程中存在“柵控”和“容控”兩種控制模式，其中“柵控”中關(guān)斷速度由驅(qū)動(dòng)線路和Cgd 決定，與電感電流無(wú)關(guān);而“容控”模式中關(guān)斷速度由電感電流和 Coss 決定，與驅(qū)動(dòng)線路無(wú)關(guān)。根據(jù)電容的比例，關(guān)斷過(guò)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(yàn)證了相關(guān)理論，并分析了兩種模式下的溝道電流;設(shè)計(jì)的雙脈沖實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了兩種模式的存在。

分析過(guò)程中忽略了電容的非線性、寄生電感、跨導(dǎo)以及閾值電壓等因素的影響，同時(shí)“柵控”和“容控”兩種模式和電容之間的規(guī)律缺乏量化分析，問(wèn)題將在后續(xù)工作中繼續(xù)研究。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉松，曹雪，劉瞻.超結(jié)高壓MOSFET驅(qū)動(dòng)電路及EMI設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界，2021（6）：77-82.

[2] 余寶偉.大功率SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)電路及功率回路振蕩問(wèn)題研究[D].北京：北京交通大學(xué)，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，F(xiàn)ANT， WENXH.ImprovedSiCpower MOSFET model considering nonlinear?junction capacitances[C]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2018：2509-2517.