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 2013.04 北京 wzcun@139.com
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
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
(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
(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
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
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 :
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
(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
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
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
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
避免误功率管误触发的方法
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
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
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
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
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
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
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
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
驱动电路设计如何规避寄生电感 影响
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
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