結電容對功率MOSFET關斷特性的影響分析

摘 要：為了分析功率MOSFET關斷特性，本文基于結電容的概念探討了功率MOSFET關斷過程的機理并推導了數(shù)學模型，表明了MOSFET關斷過程存在“柵控”和“容控”兩種控制模式；建立了功率MOSFET的Spice模型，仿真結果對數(shù)學模型進行了驗證；設計了雙脈沖實驗，實驗結果與模型和仿真結果一致。研究結論有助于器件設計優(yōu)化和應用改善。

關鍵詞：關斷特性；結電容；Spice模型；雙脈沖

1 引言

功率 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金屬氧化物場效應管 ) 作為開關器件在電力電子領域廣泛應用，隨著新能源技術的發(fā)展，第三代半導體技術的成熟，功率 MOSFET 迎來了快速發(fā)展的機會，但復雜多樣的應用環(huán)境，各不相同的器件參數(shù)，給功率 MOSFET 設計和應用提出新的要求。功率 MOSFET 關斷特性是器件應用的重要影響因素，在大功率、冷啟動或者短路保護等應用中，由于電流較大，關斷速度較快，常常出現(xiàn)嚴重的振蕩，導致電磁干擾、性能降低甚至系統(tǒng)失效的問題 ^[1]。結電容是功率 MOSFET 內(nèi)部寄生電容，與器件關斷特性密切相關 ^[2]，基于結電容概念對功率 MOSFET 關斷過程進行分析，建立 Spice 模型進行仿真，并設計了雙脈沖實驗進行驗證。通過對結電容對功率 MOSFET 關斷特性的影響進行分析，有利于設計和應用人員對器件特性的了解，有助于器件設計優(yōu)化和應用改善。

2 功率MOSFET關斷過程分析

分析過程中忽略了電容的非線性、寄生電感、跨導以及閾值電壓等因素的影響，同時“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 關斷電阻對關斷過程的影響

圖8 電感電流iL對關斷過程的影響

參考文獻：

[1]?劉松,曹雪,劉瞻.超結高壓MOSFET驅動電路及EMI設計[J].電子產(chǎn)品世界,2021(6):77-82.

[2]?余寶偉.大功率SiC?MOSFET驅動電路及功率回路振蕩問題研究[D].北京:北京交通大學,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：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)