MOS管電路加反向電壓會導(dǎo)通的原因

前言

和我們在模電課本上見到的MOS管不同，我們在MOS管廠家提供的datasheet中看到的功率MOSFET的原理圖符號都會包括一個寄生器件——體二極管。體二極管是MOS管器件結(jié)構(gòu)固有的。盡管隨著這么多年的發(fā)展，功率 MOSFET的結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計發(fā)生了許多根本性變化，但體二極管卻仍然存在。

MOSFET 原理圖，配有體二極管

體二極管作為原理圖符號直接存在于MOS管原理圖結(jié)構(gòu)中確實是一種奇怪的現(xiàn)象。比如說，MOSFET也有三個寄生電容，比如GS,GD,DS之間的等效寄生電容，盡管它們也會影響MOS管開關(guān)的動態(tài)性能，在某些電路條件下可能會導(dǎo)致開關(guān)故障，但是MOS管原理圖結(jié)構(gòu)中卻沒有體現(xiàn)。這足以說明了體二極管的存在成為了整體 MOSFET 器件一部分。

實例分析

功率 MOSFET 應(yīng)用一般涉及驅(qū)動電感性負載器件，無論是半橋還是全橋配置。比如說降壓轉(zhuǎn)換器的拓撲就是一個典型的例子。高端 FET 的工作占空比D大約等于Vout/Vin。

當Q1開關(guān)關(guān)閉時，電感電流在給定的時鐘周期內(nèi)斜升至峰值。控制器將在Q1關(guān)閉和Q2開啟之間施加一定量的死區(qū)時間，以防止二者直接導(dǎo)通。盡管如此，電感器由于其儲能續(xù)流特性，仍會嘗試保持其電流，將開關(guān)節(jié)點（Q1,Q2公共點）拉至負壓，直到Q2的體二極管導(dǎo)通。即使在Q2開關(guān)打開后，體二極管在trr期間也不會關(guān)閉，trr二極管的反向恢復(fù)時間，在此期間內(nèi)PN 器件內(nèi)的電荷需要重新組合，才能實現(xiàn)反向關(guān)閉。

典型的降壓轉(zhuǎn)換器拓撲

在這種情況下，MOSFET損耗模型中的兩個部分與體二極管相關(guān)。第一個是二極管導(dǎo)通間隔期間的I L?V D項（也就是體二極管的損耗）。這明顯大于開關(guān)的 I2 ?Rds(on)損耗，所以在設(shè)計降壓轉(zhuǎn)換器時要最小化開關(guān)死區(qū)時間。第二個是復(fù)合電流，它增加了流經(jīng)開關(guān) Rds(on)的電感電流。這導(dǎo)致I2R 損耗略高，并且相應(yīng)的開關(guān)的工作溫度更高。由于Rds(on) 表現(xiàn)出正的 TCR（電阻溫度系數(shù)），器件耗散進一步上升，導(dǎo)致器件整體溫升偏高。

降壓轉(zhuǎn)換器波形

解決方案

那么如何從根本上消除體二極管對開關(guān)管工作的影響呢？我們可以與體二極管并聯(lián)一個肖特基二極管，這是因為肖特基二極管的正向?qū)ū容^低，可以防止體 PN 結(jié)正向偏置。肖特基二極管是多數(shù)載流子器件，反向恢復(fù)時間也更快。需要注意的是要確保使用短而寬的走線連接肖特基和 MOSFET，因為即使很小的雜散電感也會降低肖特基二極管的效率。

審核編輯：湯梓紅