详解VD MOSFET寄生电容与栅电荷

2024-10-09 方舟微
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VD MOSFET为单极性器件,如N-Channel VD MOSFET内只有电子作为载流子流动,由于没有少子注入,可以在栅偏压小于阈值电压时立即夹断沟道,多子密度在半导体内重新平衡(该过程为电介质释放时间)。对典型的硅功率MOSFET,介质释放时间一般在皮秒级,由此看出功率MOSFET的开关速度应当极快,但实际上其开关速度会受到寄生电容的限制。

一般情况下,VD MOSFET不采用这三个电容作为参考,而是用Ciss、Coss和Crss作为评估VD MOSFET器件电容的指标:


1. 输入电容Ciss:定义为栅极到源极的总电容,等于Cgs加上Cgd的和。它影响MOSFET的充电速度,影响开关时间。

2. 输出电容Coss:定义为漏极到源极的电容,等于Cds加上Cgd的和。它影响MOSFET在导通和关断过程中的电压变化率。

3. 反馈电容Crss:也称为米勒电容,是栅极和漏极之间的反馈路径,等于Cgd。它影响开关速度和开关损耗。Crss越大,开关损耗越大。


输入电容Ciss、输出电容Coss、反馈电容Crss并不是一个定值,而是随着外部施加的电压VDS而变化的,如下图所示:



从图中可以观察到:当VDS大于15V后三个特性电容曲线基本保持不变。所以特性电容的测试条件一般会定义为:频率为1MHz,栅压为0V,VDS为25V。一般将在此条件下测出的电容值作为特性电容的电容值。


栅电荷

VD MOSFET栅电荷是决定其开关速度的关键参数之一,是指在栅极和源极之间建立一定电压所需的电荷量。在开关过程中,栅极电荷的充放电速率直接影响了器件的开关速率。在实际应用中,获得栅电荷的方式一般是:在栅极施加一个恒定电流源,并测量Vgs升高到指定值(如10V)的波形图,然后根据Q=I*t计算出栅电荷的值。测试电路和波形图如下:




为了比较VD MOSFET的结构特性,通常如图所示分别定义栅曲线中不同时间段的栅电荷:

Qg:栅极电压升高到一定值(如10V)的总栅极电荷量。

Qgs1:VD MOSFET刚开始开启时(VDS开始下降之前)对Cgs充电需要的电荷量。

Qgd:从Vgs停止上升达到米勒平台开始,到米勒平台结束,为对Cgd充电所需的电荷量,称栅漏电荷。

Qsw:从VD MOSFET开启到米勒平台结束栅极储存的电荷量,称栅开通电荷。

Qgs2:米勒平台结束后,继续对Cgs充电,Vgs继续上升到给定值需要的电荷量。


其中:

Qgs=Qg-Qgd

Qgs=Qgs1+Qgs2


栅开通电荷Qsw被视为VD MOSFET结构中最重要的开关特性参数,器件大部分功耗均在该开关周期内产生。而栅漏电荷Qgd是栅开启电荷Qsw中的主要组成部分,故无论在VD MOSFET器件设计还是结构对比时该参数尤为重要。

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