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非常重要的三個動態(tài)參數(shù)，Ciss和Crss影響著開關(guān)過程中電壓和電流交疊的開關(guān)損耗，以及開關(guān)過程的dV/dt和di/dt；Coss影響電容關(guān)斷過程中的dV/dt，以及開通損耗。但是，Crss和Coss還有一個非常重要的特性，就是非線性特性，這個特性會影響功率MOSFET的開關(guān)性能，比如開關(guān)過程中的柵極震蕩，功率MOSFET并聯(lián)工作的柵極震蕩，還會影響開關(guān)損耗以及橋式電路上下管死區(qū)時間計算的精度。[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)生改變的時候，它們的電容值也會發(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，來進(jìn)行說明。

當(dāng)電容二端的電壓增加時，就會形成對電容的充電電流，電容二個電極上的電荷量也會增加，因此，電容二端電壓的變化是通過二個電極上的電荷的變化來實(shí)現(xiàn)。電容值的大小，和電容二個電極的面積A成正比，和二個電極的距離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PN結(jié)的充電電流，因此PN結(jié)的這個特性表現(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，是通過耗盡層厚度的改變來實(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，耗盡層厚度也比較小，P區(qū)、N區(qū)初始的摻雜濃度相對比較高，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，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，Coss電容值就會變小。

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

對于新型超結(jié)結(jié)構(gòu)的高壓功率MOSFET，由于采用橫向耗盡電場，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)用的問題。

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

（3）不同的偏置電壓下耗盡過程中，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

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作者介紹：劉松，男，湖北武漢人, 碩士，現(xiàn)任職于萬國半導(dǎo)體元件有限公司應(yīng)用中心總監(jiān)，主要從事開關(guān)電源系統(tǒng)、電力電子系統(tǒng)和模擬電路的應(yīng)用研究和開發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎一項(xiàng)，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。

注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期