MOSFET開關(guān)中電壓尖峰的形成原因、后果及解決方案

引言

MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應(yīng)來控制半導(dǎo)體（S）的場效應(yīng)晶體管。

功率場效應(yīng)晶體管也分為結(jié)型和絕緣柵型,但通常主要指絕緣柵型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,簡稱功率MOSFET（Power MOSFET）。結(jié)型功率場效應(yīng)晶體管一般稱作靜電感應(yīng)晶體管（Static Induction Transistor——SIT）。其特點是用柵極電壓來控制漏極電流，驅(qū)動電路簡單，需要的驅(qū)動功率小，開關(guān)速度快，工作頻率高，熱穩(wěn)定性優(yōu)于GTR， 但其電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置。

對于MOSFET，米勒效應(yīng)（Miller Effect）指其輸入輸出之間的分布電容（柵漏電容）在反相放大作用下，使得等效輸入電容值放大的效應(yīng)。由于米勒效應(yīng)，MOSFET柵極驅(qū)動過程中，會形成平臺電壓，引起開關(guān)時間變長，開關(guān)損耗增加，給MOS管的正常工作帶來非常不利的影響。

本文詳細分析了MOS管開通關(guān)斷過程，以及米勒平臺的形成。然后結(jié)合實際應(yīng)用電路中說明了MOSFET開關(guān)中電壓尖峰的形成原因和可能帶來的后果，并給出了相應(yīng)的解決方案。

MOSFET結(jié)構(gòu)及寄生電容的分布

MOSFET結(jié)構(gòu)

圖1. 垂直型MOSFET結(jié)構(gòu)

圖1是垂直型MOSFET的結(jié)構(gòu)，它是一個由P區(qū)域和 N+的源區(qū)組成的雙擴散結(jié)構(gòu)。漏極（drain）和源極（source）分別放在晶圓的兩面，這樣的結(jié)構(gòu)適合制造大功率器件。因為可以通過增加外延層（epitaxial layer）的長度，來增加漏源極之間的電流等級，提高器件的擊穿電壓能力。另外從圖中，還可以清晰看出MOSFET的寄生體二極管。

寄生電容

圖2. MOSFET的寄生電容及等效電路

MOSFET的寄生電容主要包括柵源電容（Cgs）、柵漏電容（Cgd）以及漏源電容（Cds）。從圖2中左圖看到，Cds是由漏極和源極之間的結(jié)電容形成，Cgd柵極和漏極間的耦合電容。Cgs則較為復(fù)雜，由柵極和源極金屬電極之間的電容Co、柵極和 N+源極擴散區(qū)的電容 CN+，以及柵極和擴散區(qū)P區(qū)的電容Cp組成。

一般器件的手冊中，都會以下列形式給出MOSFET的寄生電容，

輸入電容：

輸出電容：

反向傳輸電容：

米勒平臺的形成

考慮到電感負載的廣泛應(yīng)用，本文以電感負載來分析米勒平臺的形成。由于MOS管開關(guān)的時間極短，電感電流可以認為不變，當作恒流源來處理。圖3是柵極驅(qū)動電路以及開通時MOS管的電流電壓波形。

圖3. 柵極驅(qū)動電路及其波形

MOS管的開通過程可以分為三個階段。

t0-t1 階段

圖4. t0-t1時的等效電路

從 t0時刻開始，柵極驅(qū)動電流給柵源電容Cgs充電。Vgs從0V上升到Vgs(th)時，MOS管處于截止狀態(tài)，Vds保持不變，Id為零。

t1-t2 階段

圖5. t1-t2時的等效電路

從t1時刻開始，MOS管因為Vgs超過其閾值電壓而開始導(dǎo)通。Id開始上升，電感電流流經(jīng)續(xù)流二極管DF的電流一部分換向流入MOS管。但是此時二極管仍然導(dǎo)通，MOS兩端的電壓仍然被二極管鉗位保持不變。驅(qū)動電流只給柵源電容Cgs充電。到t2時刻，Id上升到和電感電流一樣，換流結(jié)束。

在t1-t2這段時間內(nèi)，電感電流上升過程中Vds會稍微下降。這是因為Id上升的di/dt會在引線電感等雜散電感上形成壓降，所以MOS管兩端的電壓會稍稍下降。

這段時間內(nèi)，MOS管處于飽和區(qū)。

t2-t3階段

圖6. t2-t3時的等效電路

從t2時刻開始，由于MOSFET中的電流已經(jīng)上升達到電感負載中的電流，MOS管兩端的電壓不再被VDD鉗位。因此，漏源之間的反型層溝道也不再被VDD束縛而呈楔形分布，Vds開始降低 ，柵極驅(qū)動電流開始給Cgd充電。驅(qū)動電流全部用來給Cgd充電，柵極電壓Vgs保持不變呈現(xiàn)出一段平臺期，這個平臺稱為米勒平臺。

米勒平臺一直維持到Vds電壓降低到MOS管進入線性區(qū)?？梢宰⒁獾?，在米勒平臺期，Vds電壓下降的斜率分為兩段，這與MOSFET的結(jié)構(gòu)有關(guān)。在導(dǎo)通的不同階段Cgd電容發(fā)生變化的緣故。

在這個階段，MOS管仍然處于飽和區(qū)。

這里順便說一下，為什么漏源電壓在MOSFET進入米勒平臺后開始下降。

在進入米勒平臺前，漏源電壓由于被二極管鉗位保持VDD不變，MOS管的導(dǎo)電溝道處于夾斷狀態(tài)。當MOSFET的電流和電感電流相同時，MOSFET的漏極不再被鉗位。這也就意味著，導(dǎo)電溝道由于被VDD鉗位而導(dǎo)致的夾斷狀態(tài)被解除，導(dǎo)電溝道靠近漏極側(cè)的溝道漸漸變寬，從而使溝道的導(dǎo)通電阻降低。在漏極電流Id不變的情況下，漏源電壓Vds就開始下降。

當漏源電壓Vds下降后，柵極驅(qū)動電流就開始給米勒電容Cgd充電。幾乎所有的驅(qū)動電流都用來給Cgd充電，所以柵極電壓保持不變。這個狀態(tài)一直維持到，溝道剛好處于預(yù)夾斷狀態(tài)，MOS管進入線性電阻區(qū)。

圖7. MOSFET在不同漏極電壓時，導(dǎo)電溝道的變化情況

t3-t4 階段

圖8. t3-t4時的等效電路

從t3時刻開始，MOSFET工作在線性電阻區(qū)。柵極驅(qū)動電流同時給Cgs和Cgd充電，柵極電壓又開始繼續(xù)上升。由于柵極電壓增加，MOSFET的導(dǎo)電溝道也開始變寬，導(dǎo)通壓降會進一步降低。當Vgs增加到一定電壓時，MOS管進入完全導(dǎo)通狀態(tài)。

現(xiàn)在總結(jié)一下，在MOSFET驅(qū)動過程中，它是怎么打開的。圖9標示了在開通時不同階段對應(yīng)在MOSFET輸出曲線的位置。當Vgs超過其閾值電壓（t1）后，Id電流隨著Vgs的增加而上升。當Id上升到和電感電流值時，進入米勒平臺期（t2-t3）。這個時候Vds不再被VDD鉗位，MOSFET夾斷區(qū)變小，直到MOSFET進入線性電阻區(qū)。進入線性電阻區(qū)（t3）后，Vgs繼續(xù)上升，導(dǎo)電溝道也隨之變寬，MOSFET導(dǎo)通壓降進一步降低。MOSFET完全導(dǎo)通（t4）。

圖9. MOSFET輸出曲線

米勒效應(yīng)對MOSFET開關(guān)過程的影響

下面以圖10中電機控制電路來說明米勒效應(yīng)對MOSFET開通關(guān)斷過程的影響。在圖10控制電路中，上管導(dǎo)通時，VDD通過Q1、Q4對電機進行勵磁；上管關(guān)斷時，電機通過Q4、Q3進行去磁。在整個工作過程中，Q4一直保持開通，Q1, Q2交替開通來對電機轉(zhuǎn)子進行勵磁和去磁。

圖10. 電機控制電路

圖11，圖12是上下管開通關(guān)斷時驅(qū)動電壓測試波形?？梢郧宄目吹?，在上管開通和關(guān)斷時，下管柵極上會產(chǎn)生一個尖峰，尖峰的電壓增加了上下管同時導(dǎo)通的風(fēng)險，嚴重時會造成非常大的電流同時流過上下管，損壞器件。

圖11. 上管開通下管關(guān)斷時的測試波形

圖12. 上管關(guān)斷上管開通時的測試波形

下管開通關(guān)斷出現(xiàn)的這種波形是由漏柵電容導(dǎo)致的寄生開通現(xiàn)象（如圖13所示）。在下管關(guān)斷后，上管米勒平臺結(jié)束時，橋臂中點電壓由0升到VDD，MOSFET的源極和漏極之間產(chǎn)生陡峭的的dV/dt。由此在漏柵電容產(chǎn)生的電流會流到柵極，經(jīng)柵極電阻到地，這樣就會在柵極電阻上產(chǎn)生的電壓降。這種情況，就會可能發(fā)生上下管同時導(dǎo)通，損壞器件。

圖13. MOSFET寄生開通機制

下管的這個Vgs尖峰電壓（也有公司稱之為Vgs bouncing）可以表達為：

Rgoff驅(qū)動關(guān)斷電阻，Rg,ls(int)為MOSFET柵極固有電阻，Rdrv為驅(qū)動IC的電阻。從公式（1）可以看到，該電壓與Rgtot和Cgd呈正向相關(guān)。

所以解決這個問題有兩類方法：

1. 減小Rgtot。由公式（2）知道，Rg,ls(int)由器件本身決定，Rdrv由驅(qū)動IC決定，所以一般是選擇合適的Rg來平衡該Vgs bouncing電壓。

2. 選擇Crss/Ciss（即Cgd/Cgs）低的MOSFET有助于降低Vgs尖峰電壓值。或者在MOSFET柵源之間并上一個電容，也會吸收dV/dt產(chǎn)生的漏刪電流。圖15是在下管的GS兩端并聯(lián)5.5nF電容后的開關(guān)波形，可以看到電壓明顯降低，由圖11中的3.1V降低到1.7V，大大降低了上下管貫通的風(fēng)險。

圖15. 下管GS并上5.5nF電容的波形

同理，上管關(guān)斷至米勒平臺結(jié)束時，下管開通前，橋臂中點電壓由VDD降為0，MOSFET的源極和漏極之間產(chǎn)生陡峭的的dV/dt。由此就會在柵極上面產(chǎn)生一個負壓。

同時，由圖11，圖12，可以觀察到，下管開通關(guān)斷過程中，都沒有出現(xiàn)米勒平臺現(xiàn)象。這是因為在其開通關(guān)斷時，由于Motor中的電流經(jīng)過下管的體二極管續(xù)流，DS兩端電壓很小，所以米勒平臺也就形成不了了。

審核編輯：郭婷