功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响

N+ P
CG
D
++ NN P
C G S -d e p
CDS
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 N− － N 、CGSP表示P沟道与多晶硅栅 形成的电容。 N+ N+ MOSFET的栅漏电容（CGD) D 由CGD-oxid、CGD-dep串联组成 MOSFET的漏源电容（CDS)表示 CGD-oxid、表示N-漂移区与 P体区与N-外延层形成的耗尽 多晶硅栅形成的介质电容 层电容 ，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。
UFP
2V 0 tFR
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
（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：
S C GSN+ C GSM C G S -OXID
G C G D -OXID
S
CGS=CGSM+CGSN++CGSP
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，CGS和CGD 以一恒定的速率充电， CGS不 i dV = 断上升。 dt C + C
GS g GS GD
此时漏端耗尽层宽度处于最大 值，CGD很小，可忽略，因此， CGS远大于CGD，因此此区间以CGS 为主。漏源电压Vds保持为电 源电压Vdd，直到其栅源电压 （ CGS）达到阈值电压。
IRRM VR URRM ta t rr tb
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。
（t1-t2）区间: VGS超过阈值电压Vth，MOS管进入线性区，导通电流随VGS 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， VGS保 持恒定，栅极电流主要由“米勒”电容所贡献。
dVgd dt
=−
Ig C 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，CGD-dep相应增加。Vds降到（ Vds<Vgs）后， CGD迅速增加到CGD-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CGD 变得更大。
• 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 F,VF IFM VF Qrr t
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 ∗ f sw ∗ ∆Vgate 带来导通延时：
⎛ ⎜ Rg 1 t1 = ln ⎜ CGS + CGD1 ⎜ 1 − Vth ⎜ V g ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ 源自 ⎠⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠
⎛ ⎜ Rg 1 t2 − t1 = ln ⎜ CGS + CGD1 ⎜ 1 − Vmiller ⎜ Vg ⎝
S G S
C
N P
+
G S
C
G S
C
G D
N
+ N + P
C
D S
N N−
－
N
+
N+
3
D
（1）PN结电容
PN结电容CJ包括势垒电容Cb和扩散电容CD ,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。
t3 − t2 =
VDD ∗ Rg ∗ CGD−miller Vg − Vmiller
Rg
⎛ ⎜ 1 ln ⎜ ⎜ VGH ⎜1− V g ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠
t4 − t3 =
CGS + CGD 2
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=Cresdv/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
功率开关管的寄生参数及对开关过 程的影响
王振存
2013.04 北京 新能源 wzcun@ 新生活
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
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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。
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。
C G D -d e p
一、 MOSFET的极间电容
在器件参考手册里给出的输 入电容（Ciss),输出电容（ Coss),反向电容（ Crss)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CGD 和CDS 受控于VDS ，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：
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
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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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
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 。