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王振存王振存王振存2013.04北京[e-mail]功率开关管的寄生参数及对开关过功率开关管的寄生参数及对开关过功率开关管的寄生参数及对开关过功率开关管的寄生参数及对开关过程的影响程的影响程的影响程的影响2提纲提纲提纲提纲•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•四、双脉冲测试•三、功率开关管的寄生电感3一、MMMMOSFETOSFETOSFETOSFET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。SDGN+－NN+SN+N+N−N+PPCCCCGSGSGSGSCCCCGDGDGDGDCCCCDSDSDSDSCCCCGSGSGSGSPN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。（1）PN结电容（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。SDGN+－NN+SN+N+N−N+PPCCCCGDGDGDGDCCCCDSDSDSDSCGSMCGSN+CGS-OXIDCGS-depCGD-depCGD-OXID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++CGSPCGD-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。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。一、MMMMOSFETOSFETOSFETOSFET的极间电容实际上，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：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不断上升。gGSGSGDidVdtCC=+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。（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。gdggddVIdtC=−（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。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（VdsVgs）后，CGD迅速增加到CGD-oxid。（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。极间电容对开关过程的影响————IGBTIGBTIGBTIGBT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：drvgateswgatePQfV=∗∗∆带来导通延时：111ln1gthGSGDgRtVCCV⎛⎞⎜⎟⎜⎟=⎜⎟+−⎜⎟⎝⎠2111ln1gmillerGSGDgRttVCCV⎛⎞⎜⎟⎜⎟−=⎜⎟+−⎜⎟⎝⎠32DDgGDmillergmillerVRCttVV−∗∗−=−4321ln1gGHGSGDgRttVCCV⎛⎞⎜⎟⎜⎟−=⎜⎟+−⎜⎟⎝⎠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。•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。tatbtrrIF,VFIFMIRRMVRURRMtVFQrr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。tFRUFP2Vt0二、开关管体二极管的寄生特性二极管的寄生特性的影响1111、增加损耗：2222、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。3333、产生电磁干扰：快速的di/dt、dv/dt将产生EMI问题4444、产生大的dv/dtdv/dtdv/dtdv/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1111、选择合适的门极电阻RgRgRgRg：�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；3333、增加缓冲电路2222、合理的功率布局减小杂散电感，以减小电压尖峰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RgRgRgRg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25