功率MOSFET輸出電容的非線性特性

1、前言

功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中有三個(gè)寄生電容：輸入電容Ciss、輸出轉(zhuǎn)移電容Crss和輸出電容Coss。其中，Crss為柵極G和漏源D電容，這個(gè)電容也稱米勒電容；柵極和源極的電容為CGS，漏極D和源極的電容為CDS，Ciss等于CGS與Crss之和，Coss等于CDS與Crss之和。Ciss、Crss和Coss是功率MOSFET非常重要的三個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，Ciss和Crss影響著開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流交疊的開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程的dV/dt和di/dt；Coss影響電容關(guān)斷過(guò)程中的dV/dt，以及開(kāi)通損耗。但是，Crss和Coss還有一個(gè)非常重要的特性，就是非線性特性，這個(gè)特性會(huì)影響功率MOSFET的開(kāi)關(guān)性能，比如開(kāi)關(guān)過(guò)程中的柵極震蕩，功率MOSFET并聯(lián)工作的柵極震蕩，還會(huì)影響開(kāi)關(guān)損耗以及橋式電路上下管死區(qū)時(shí)間計(jì)算的精度。[1-5]本文將分析Crss和Coss的非線性特性。

圖1 AOT10N60的電容特性

2、Coss的非線性特性

Coss和Crss電容非線性特性就是指：當(dāng)所加的偏置電壓VDS發(fā)生改變的時(shí)候，它們的電容值也會(huì)發(fā)生改變，表現(xiàn)出非線性的特性，如圖1所示。Coss和Crss的具有同樣的特性，因此，下面主要以Coss為例，來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

當(dāng)電容二端的電壓增加時(shí)，就會(huì)形成對(duì)電容的充電電流，電容二個(gè)電極上的電荷量也會(huì)增加，因此，電容二端電壓的變化是通過(guò)二個(gè)電極上的電荷的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)。電容值的大小，和電容二個(gè)電極的面積A成正比，和二個(gè)電極的距離d成反比，和介質(zhì)介電常數(shù)e成正比：

功率MOSFET的輸出電容Coss實(shí)際上是漏極D和源極S的PN結(jié)的電容，漏極D和源極S加上電壓VDS，PN結(jié)的耗盡層加寬，耗盡層、也就是空間電荷區(qū)內(nèi)部的電荷數(shù)量增加，形成對(duì)PN結(jié)的充電電流，因此PN結(jié)的這個(gè)特性表現(xiàn)為電容的特性，耗盡層在P區(qū)、N區(qū)里面的邊界，就相當(dāng)于電容的二個(gè)電極。

圖2 功率MOSFET結(jié)構(gòu)

功率MOSFET外加電壓VDS，輸出電容Coss的電荷數(shù)量的改變，是通過(guò)耗盡層厚度的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)。外加電壓VDS增加，耗盡層厚度也相應(yīng)的增加。在一定的外加偏置電壓下，如果偏置電壓發(fā)生非常小的變化，耗盡層厚度基本可以認(rèn)為保持不變，耗盡層電荷的變化量與電壓的變化量成正比，那么，在此外加偏置電壓下，輸出電容Coss為：

外加電壓VDS比較小時(shí)，耗盡層厚度也比較小，P區(qū)、N區(qū)初始的摻雜濃度相對(duì)比較高，自由導(dǎo)電的電子和空穴濃度比較高，因此，即使外加電壓VDS發(fā)生很小的變化DV，空間電荷區(qū)也會(huì)產(chǎn)生非常大的電荷變化DQ，由公式2可以得到，當(dāng)偏置電壓VDS比較小時(shí)，輸出電容Coss電容值非常大。

外加電壓VDS增加到一定值，耗盡層厚度也增加到一定值，P區(qū)、N區(qū)的自由導(dǎo)電的電子和空穴濃度被大量消耗，濃度非常低，相當(dāng)于低偏置電壓VDS，為了得到同樣的空間電荷區(qū)電荷變化值DQ，就需要更大的外加電壓VDS的變化值DV1。由公式2可以得到，同樣DQ ，DV1>DV，當(dāng)偏置電壓VDS大時(shí)，Coss電容值就會(huì)變小。

同時(shí)，偏置電壓VDS大時(shí)，耗盡層厚度增大，相當(dāng)于Coss電容的二個(gè)電極的距離增加，因此，會(huì)導(dǎo)致Coss電容值進(jìn)一步的降低。

對(duì)于新型超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓功率MOSFET，由于采用橫向耗盡電場(chǎng)，導(dǎo)致Coss和Crss的非特性更為嚴(yán)重，更容易產(chǎn)生各種應(yīng)用的問(wèn)題。

圖3 功率MOSFET內(nèi)部PN結(jié)耗盡層

3、結(jié)論

（1）功率MOSFET的Coss和Crss會(huì)隨著外加電壓VDS的增加而降低，從而表現(xiàn)出非線性的特性，新型超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓功率MOSFET非線性特性更為嚴(yán)重，更容易產(chǎn)生各種應(yīng)用的問(wèn)題。

（2）Coss和Crss的大小與二個(gè)極板相對(duì)應(yīng)的面積成正比，與二個(gè)極板的距離成反正。

（3）不同的偏置電壓下耗盡過(guò)程中，載流子濃度變化的非線性是電容具有非線性特性的主要原因。

圖4 不同VDS電壓的PN結(jié)耗盡層

參考文獻(xiàn)

[1] 劉松. 理解功率MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗,今日電子:2009.10:52-55

[2] 劉松.超結(jié)型高壓功率MOSFET結(jié)構(gòu)工作原理,今日電子, 2013, 11(243):30-31

[3] 劉松. 功率MOSFET應(yīng)用問(wèn)題分析提高篇. 今日電子, 2015, 2(258): 30-33

[4] 劉松. 功率MOSFET應(yīng)用問(wèn)題分析基礎(chǔ)篇. 今日電子, 2014, 12(256): 43-46

[5] 劉松. 理解MOSFET時(shí)間相關(guān)及能量相關(guān)輸出電容Coss(tr)和Coss(er) ,電子產(chǎn)品世界, 2019.4

作者介紹：劉松，男，湖北武漢人, 碩士，現(xiàn)任職于萬(wàn)國(guó)半導(dǎo)體元件有限公司應(yīng)用中心總監(jiān)，主要從事開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和模擬電路的應(yīng)用研究和開(kāi)發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)一項(xiàng)，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。

注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期