結(jié)電容對(duì)功率MOSFET關(guān)斷特性的影響分析

摘 要：為了分析功率MOSFET關(guān)斷特性，本文基于結(jié)電容的概念探討了功率MOSFET關(guān)斷過程的機(jī)理并推導(dǎo)了數(shù)學(xué)模型，表明了MOSFET關(guān)斷過程存在“柵控”和“容控”兩種控制模式；建立了功率MOSFET的Spice模型，仿真結(jié)果對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證；設(shè)計(jì)了雙脈沖實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模型和仿真結(jié)果一致。研究結(jié)論有助于器件設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)用改善。

關(guān)鍵詞：關(guān)斷特性；結(jié)電容；Spice模型；雙脈沖

1 引言

功率 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金屬氧化物場效應(yīng)管 ) 作為開關(guān)器件在電力電子領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，隨著新能源技術(shù)的發(fā)展，第三代半導(dǎo)體技術(shù)的成熟，功率 MOSFET 迎來了快速發(fā)展的機(jī)會(huì)，但復(fù)雜多樣的應(yīng)用環(huán)境，各不相同的器件參數(shù)，給功率 MOSFET 設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出新的要求。功率 MOSFET 關(guān)斷特性是器件應(yīng)用的重要影響因素，在大功率、冷啟動(dòng)或者短路保護(hù)等應(yīng)用中，由于電流較大，關(guān)斷速度較快，常常出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩，導(dǎo)致電磁干擾、性能降低甚至系統(tǒng)失效的問題 ^[1]。結(jié)電容是功率 MOSFET 內(nèi)部寄生電容，與器件關(guān)斷特性密切相關(guān) ^[2]，基于結(jié)電容概念對(duì)功率 MOSFET 關(guān)斷過程進(jìn)行分析，建立 Spice 模型進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)了雙脈沖實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。通過對(duì)結(jié)電容對(duì)功率 MOSFET 關(guān)斷特性的影響進(jìn)行分析，有利于設(shè)計(jì)和應(yīng)用人員對(duì)器件特性的了解，有助于器件設(shè)計(jì)優(yōu)化和應(yīng)用改善。

2 功率MOSFET關(guān)斷過程分析

分析過程中忽略了電容的非線性、寄生電感、跨導(dǎo)以及閾值電壓等因素的影響，同時(shí)“柵控”和“容控”兩種模式和電容之間的規(guī)律缺乏量化分析，問題將在后續(xù)工作中繼續(xù)研究。

圖7 關(guān)斷電阻對(duì)關(guān)斷過程的影響

圖8 電感電流iL對(duì)關(guān)斷過程的影響

參考文獻(xiàn)：

[1]?劉松,曹雪,劉瞻.超結(jié)高壓MOSFET驅(qū)動(dòng)電路及EMI設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2021(6):77-82.

[2]?余寶偉.大功率SiC?MOSFET驅(qū)動(dòng)電路及功率回路振蕩問題研究[D].北京:北京交通大學(xué),2021.

[3] BALIGA J B.?Fundamentals of power semiconductor devices[M].Springer?International?Publishing?AG.?2018:410- 414.

[4]?ZOJER B,?VILLACH. A new gate drive technique?for?super junction?MOSFETS to compensate the effects of? common?source? inductance[C].IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition(APEC),?2018: 2763-2768.

[5]?LAAFAR?S,?MAALI?A,?BOUMAAZ?N.?Spice electrical model?of?cool?mos?transistor?considering?quasi-saturation effect[J].Journal?of?Theoretical and Applied?Information Technology,?2020,98(11),1927-1936.

[6]?DUAN J L, FAN T,?WEN X H. Improved?SiC power MOSFET model considering nonlinear junction?capacitances[C].?IEEE?Transactions?on?Power?Electronics,?2018:2509-2517.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)