功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响新能源新生活王振存北京

Size: px

Start display at page:

Download "功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响新能源新生活王振存北京"

仑争翟
4 years ago
Views:

1 功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响新能源新生活王振存北京

2 提纲一功率开关管的极间电容二功率开关管体二极管的寄生特性三功率开关管的寄生电感四双脉冲测试 2

3 一 MOSFET 的极间电容功率 MOSFET 的极间电容包括 CGS( 栅源电容 )CGD( 栅漏电容 ) CDS( 漏源电容 ), 其中 CGS CGD 是由 MOS 结构的绝缘层形成的,CDS 是由 PN 结构成的 S G S N + P C G S C G S C G D N + N + P C D S N N - N + N + D 3

4 (1)PN 结电容 PN 结电容 C J 包括势垒电容 C b 和扩散电容 C D, 通常我们说的 PN 结电容主要指它的势垒电容设在 PN 结上加一交变电场在交变电场的作用下, 势垒区宽度由宽变窄, 由窄变宽地交替变换载流子在势垒区内一会存入, 一会取出这样势垒区好像一个存放载流子的仓库, 它的作用和电容一样

5 (2)MOS 电容 MOS 电容就是半导体上覆盖绝缘层 ( 氧化层 ) 和金属层构成的电容器

6 MOSFET 的栅源电容 (CGS) 由 CGSM CGSN+ CGSP( 由 CGS_oxid CGS_dep 串联组成 ) 并联组成, 既 : CGS=CGSM+CGSN++CGSP 其中 CGSM 表示多晶硅栅与源极金属层之间形成的介质电容 CGSN+ 表示源区与多晶硅栅交叠区域形成的介质电容 CGSP 表示 P 沟道与多晶硅栅形成的电容 MOSFET 的栅漏电容 (CGD) 由 CGD-oxid CGD-dep 串联组成 CGD-oxid 表示 N- 漂移区与多晶硅栅形成的介质电容,CGD-dep 表示 N- 漂移区表面反型时的 P 区与 N- 漂移区形成的耗尽电容 S G S N + C G S MC C G S - O X I D N - N N + N + P C G S - d e p C D S N + G C G D C G D - d e p C G D - O X I D D N + S N + MOSFET 的漏源电容 (CDS) 表示 P 体区与 N- 外延层形成的耗尽层电容 P

7 一 MOSFET 的极间电容在器件参考手册里给出的输入电容 (C iss ), 输出电容 ( C oss ), 反向电容 ( C rss ) 的典型值作为设计工程师决定电路元件的依据实际上, 栅漏电容的静态值比栅源电容小得多, 但随着漏源电压的变化, 栅漏电容可增大至栅源电容的 20 倍因此, 充电时, 栅漏电容需要比栅源电容更多的电荷量由于 C GD 和 C DS 受控于 V DS,datasheet 提供的器件参数值只在特定测试条件下有效 IXYS 公司的 Abhijit 给出了计算其有效值的公式 :

8 极间电容对开关过程的影响栅荷特性 (t0-t1) 区间 : 开始时,MOSFET 关断, 其漏源电压为 Vdd 在时刻零点, 栅电流 (Ig) 被加到 MOS 栅上随着栅电流保持恒定,C GS 和 C GD 以一恒定的速率充电, C GS 不 dv i GS g 断上升 = dt C + C GS 此时漏端耗尽层宽度处于最大值,C GD 很小, 可忽略, 因此, C GS 远大于 C GD, 因此此区间以 C GS 为主漏源电压 Vds 保持为电源电压 Vdd, 直到其栅源电压 ( C GS ) 达到阈值电压 GD

9 (t1-t2) 区间 : V GS 超过阈值电压 Vth,MOS 管进入线性区, 导通电流随 V GS 的增加而增加, 此阶段输入电容可近似不变 (t2-t3) 区间 : 时间 t2 后进入 miller 平台期, 漏源电压迅速下降, V GS 保持恒定, 栅极电流主要由米勒电容所贡献 dv dt gd I = C g gd 随着电流的增长, 耗尽区变窄, 耗尽区空间电荷释放进沟道, 为使沟道保持电中性, 栅上就必须充额外的电荷来补偿耗尽区的电荷,C GD-dep 相应增加 Vds 降到 ( Vds<Vgs) 后, C GD 迅速增加到 C GD-oxid (t3-t4) 区间 : 漏极电流保持恒定,Vgs 继续增加, 但增长斜率小于 ( t0-t1) 区间, 这是因为此时 C GD 变得更大

10 极间电容对开关过程的影响 IGBT 的栅荷特性右图为英飞凌公司给出的 IGBT 栅荷特性曲线, 可见其与相应的 MOSFET 栅荷曲线非常的相似, 不同的地方是 MOSFET 的 (t0-t1) 区间变为两个区间, 这主要反映了 IGBT 栅源电容随电压变化而变化的过程,MOSFET 也存在, 只不过不是特别明显而已

11 极间电容对开关过程的影响增加驱动损耗 : Pdrv = Qgate fsw Vgate 带来导通延时 : R g 1 t1 = ln C V GS + CGD 1 th 1 V g R g 1 t2 t1 = ln C V GS + CGD 1 1 Vg V R C t3 t2 = V V t4 t3 = C GS miller DD g GD miller R g + C g GD2 miller 1 ln V 1 V GH g

12 极间电容对开关过程的影响如右图所示, 当 Q1 从关断状态变化到开通, 此时桥臂中点电位急剧上升, 产生了一个比较大的 dv/dt 该 dv/dt 通过 Miller 电容产生电流 I=C res dv/dt 该电流通过门极电阻 Rg, 使门极电位上升, 一旦下管门极电压达到阈值电压, 将导致下管误触发基于这一原理, 避免误触发, 有如下几种方法 : 在栅极 - 源极间外加电容 CGE; 栅源加负电压 ; 调整栅极驱动电阻 ; 采用栅极有源钳位 ; 外加 RC 吸收电路

13 避免误功率管误触发的方法

14 二功率开关体二极管的寄生特性如右图所示, 功率 MOSFET 内部寄生了一个二极管,MOSFET 的体二极管需要承受较高的 di/dt 和 dv/dt 然而功率 MOSFET 的体二极管较理想特性还是有很大的区别, 下面我们就研究一下二极管的特性

15 二开关管体二极管的寄生特性所有的 PN 结二极管, 在传导正向电流时, 都以少子形式存储电荷但是, 当二极管反向时, 在二极管处于断态前存储的电荷必须全部抽出或必须被中和掉发生这一过程所花费的时间定义为反向恢复时间, 即反向恢复时间为清除这些少数载流子达到稳态值所需的时间 I FM V F I RRM V R U RRM I F,V F t a t rr Q rr t b t

16 二开关管体二极管的寄生特性 2) 二极管导通特性当 PN 结从反偏转向正向导通时,PN 结的通态压降并不立即达到其静态伏安特性所对应的稳态压降值, 而需经过一段正向恢复时期, 在这期间, 正向动态峰值压降可以达到几倍甚至上百倍的 VF 电压右图给出了 PN 结正向导通时的动态波形 U FP 2V 0 t FR t

17 二极管的寄生特性的影响 1 增加损耗 : 2 感应过压尖峰 : 反向恢复引起过压 : 过大的反向电流有可能使其产生类似二次击穿的雪崩现象, 或是缩小功率开关管的安全工作区功率管开通的时刻, 实际上是体二极管关断时刻, 此时二极管损坏风险是最大的! 正向恢复电压引起过压 : 在功率开关管关断时, 线路的寄生电感会感应出一个电压尖峰, 这个电压尖峰叠加于续流二极管的正向恢复电压之上, 二者之和可能导致过电压 3 产生电磁干扰 : 快速的 di/dt dv/dt 将产生 EMI 问题 4 产生大的 dv/dt 使开关管误导通

18 二极管的寄生特性的影响右图是二极管的安全工作区的示意图实际上这是一条恒功率曲线其意义是 : 二极管在反向恢复过程中, 其瞬时功率不能超过规定的数值, 否则就有损坏的风险二极管在反向恢复的过程中, 实际上是其工作点从导通过渡到截止其工作点的运动轨迹有多种选择, 如右图所示显然, 轨迹 A 是最安全的, 轨迹 C 是危险的

19 如何消除体二极管寄生参数的影响 1 选择合适的门极电阻 Rg: 适合的开关损耗 ( 可使用示波器测量 ); 反向恢复电流的 di/dt 不能超过 datasheet 规定值 ; 二极管的反向恢复电流峰值小于体二极管的标称值 ; 反向恢复后电流无振荡 ; 适当的 dvce/dt; 2 合理的功率布局减小杂散电感, 以减小电压尖峰 3 增加缓冲电路

20 功率开关管的寄生电感寄生电感产生原因 : 第一, 晶片和封装之间的 Bonding 线的电感 ; 第二, 引脚及 pcb 走线的感抗

21 寄生电感造成的影响 : 第一, 使得功率开关管的开启延迟和关断延迟增加由于存在源极寄生电感, 在开启和关段初期阻碍了栅极电流的变化, 使得驱动器对栅极电容充电和放电的时间变长了 ; 第二, 会造成栅极电压过压一方面, 栅极寄生电感与源极寄生电感会和功率管的输入电容发生谐振 ( 这个谐振是由于驱动电压的快速变压形成的, 也是我们在 G 端看到震荡尖峰的原因 ), 另一方面, 开通时 id 电流大的 di/dt 在源极寄生电感 Ls 上产生了较大压降, 叠加到栅极, 形成栅极电压过压第三, 负反馈效应, 尤其是当大的 di/dt 时, 在源极电感 Ls 上产生了较大压降, 从而使得源点点位抬高, 使得 Vg 电压大部分加在电感上面, 因此使得 G 点的电压变化减小, 进而形成了一种平衡 ( 负反馈系统 ), 从而, 阻碍了 Id 的变化第四, 漏极寄生电感在开启状态的时候 Ld 起到了很好的作用 (Subber 吸收的作用 ), 开启的时候由于 Ld 的作用, 有效的限制了 di/dt/( 同时减少了开启的功耗 ) 在关断的时候, 由于 Ld 的作用,Vds 电压形成明显的下冲 ( 负压 ) 并显著的增加了关断时候的功耗

23 驱动电路设计如何规避寄生电感影响

24 利用双脉冲测试法检验 Rg 及功率回路布局是否合理通过观测 : 二极管反向恢复电流的 di/dt 二极管的反向恢复电流峰反向恢复后电流有无振荡, 拖尾时间 ; 功率管 CE 电压尖峰

25 25

TONE RINGER

TONE RINGER 4A 700V N 沟道增强型场效应管描述 SVF4N70F N 沟道增强型高压功率 MOS 场效应晶体管采用士兰微电子 F-Cell TM 平面高压 VDMOS 工艺技术制造先进的工艺及条状的原胞设计结构使得该产品具有较低的导通电阻优越的开关性能及很高的雪崩击穿耐量该产品可广泛应用于 AC-DC 开关电源,DC-DC 电源转换器, 高压 H 桥 PWM 马达驱动特点 4A,700V,R

功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响 新能源 新生活 王振存 北京

功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响新能源新生活王振存北京