如何避免功率MOSFET發(fā)生寄生導(dǎo)通?

功率MOSFET的寄生導(dǎo)通

實(shí)際上，功率MOSFET發(fā)生寄生導(dǎo)通（不希望發(fā)生的事件）的機(jī)率比我們的預(yù)計更高，造成的損失也更大。寄生導(dǎo)通通常會損壞MOSFET，且之后很難查出故障的根源。寄生導(dǎo)通機(jī)制取決于漏源和柵源電壓間的電容分壓比例 。

圖1是一個基本的半橋配置，該半橋是H橋或三相橋的一部分。如果半橋上管的MOSFET導(dǎo)通了，為了避免直通和因過流而可能出現(xiàn)的MOSFET故障，必須關(guān)斷半橋下管的一個MOSFET。

圖1   MOSFET半橋及其感性負(fù)載

此時，可通過下列公式（1）計算出柵極和源極間的電壓：

因此，即便驅(qū)動電路試圖關(guān)斷半橋下管的MOSFET，即驅(qū)動電路將柵極和源極間的電壓置為0(UGS=0V)，但由于漏源電壓發(fā)生變化，且分壓線路包含米勒電容(CGD)和柵源電容，所以MOSFET仍然有導(dǎo)通的風(fēng)險。電容分壓器是最快的分壓器，對漏源之間出現(xiàn)的所有瞬態(tài)電壓反應(yīng)極快，并對其中的高頻瞬態(tài)電壓（即du/dt高的UDS ）反應(yīng)尤其快。在柵極和源極之間安裝一個電阻在一定程度上可以防范寄生導(dǎo)通，但作用很小且對高du/dt值無作用。

下面的例子闡述了這些電壓到底有多高，多快：

圖2是具有寄生元件的逆變器橋臂的半橋配置。電路布局，幾何約束或MOSFET連接線所造成的寄生電感，電阻和電容是無法避免的。另一方面，逆變器所在的電路具有最高的di/dt值（典型值約為1A/ns），而電機(jī)的相電流和電源線里的電流變化相對平穩(wěn)。

圖2 具有寄生電感（綠色部分）的逆變器半橋基本設(shè)計圖

MOSFET里的二極管恢復(fù)脈沖常常在半橋里產(chǎn)生最高的di/dt。寄生電感和高di/dt感應(yīng)同時出現(xiàn)或多或少會產(chǎn)生高感應(yīng)電壓尖峰，并在半橋里產(chǎn)生大量地高頻噪聲。根據(jù)寄生電感的尺寸，在12V應(yīng)用中會出現(xiàn)過壓和欠壓尖峰，范圍是1－2V和幾十伏。除了產(chǎn)生高頻噪聲，這些電壓尖峰還會危害MOSFET，橋式驅(qū)動器和其它的ECU元件。此外，它們還會使功率MOSFET意外導(dǎo)通。

為避免寄生導(dǎo)通，如何選取MOSFET

再看公式（1）：

為了防止寄生導(dǎo)通，UGS/UDS比必須盡量小，UDS/UGS 比必須盡量大，CGS/CGD比也必須盡量大。因此，建議：為了對寄生導(dǎo)通反應(yīng)低敏，CGS/CGD 比必須盡量大，大于15（或者最小大于10）。

下面的例子說明了如何從數(shù)據(jù)手冊摘錄所需的值（本例中的器件為用于電機(jī)驅(qū)動的 IPB80N04S3-03, OptiMOS-T 40V功率MOSFET）:

由于：

可以計算出：CGD_typ=240pF 且CGS_typ=5360pF。CGS/CGD 比是22.3，這個值完全可以防止寄生導(dǎo)通。

圖3  數(shù)據(jù)手冊中的電容值

為了獲知這些電容值和電源電壓大小之間的關(guān)系，數(shù)據(jù)手冊還提供了柵漏電容和柵源電容與漏源電壓之間的關(guān)系，圖4是它們之間關(guān)系的曲線圖。

圖5比較了MOSFET在不同的大電流應(yīng)用中（如安全關(guān)鍵電子助力轉(zhuǎn)向，或電子液壓助力轉(zhuǎn)向，或發(fā)電機(jī)）的Cgs/Cgd比?？梢钥闯鍪褂肐PB160N04S3-H2后，不會發(fā)生寄生導(dǎo)通了，而使用其它兩個MOSFET，仍然可能發(fā)生寄生導(dǎo)通。

圖4    柵漏電容和柵源電容與漏源電壓的典型關(guān)系

圖5 MOSFET在不同的大電流應(yīng)用中CGS/CGD 的比較