實際應用條件下Ｐｏｗｅｒ ＭＯＳＦＥＴ開關特性研究（下）

摘 要：從功率MOSFET內部結構和極間電容的電壓依賴關系出發，對功率MOSFET 的開關現象及其原因進行了較深入分析。從實際應用的角度，對功率MOSFET開關過程的功率損耗和所需驅動功率進行了研究，提出了有關參數的計算方法，并對多種因素對開關特性的影響效果進行了實驗研究，所得出的結論對于功率MOSFET的正確運用和設計合理的MOSFET驅動電路具有指導意義。

關鍵詞：功率MOSFET;開關現象;開關特性;密勒效應;開關損耗

中圖分類號：TN386 文獻標識碼：A

文章編號：1004373X(2008)0514504

Research on the Switching Property of Power Mosfet under Practical Application Conditions(Ⅱ)

FANG Bo1，ZHANG Yuanmin1，CUI Weiqun2

(1.School of Electronics Information Engineering，Xuchang University，Xuchang，461000，China;

2.Electronics Information Engineering Department，Information Engineering University，Zhengzhou，450001，China)

Abstract：Starting from the internal cell structure of power MOSFET and the inter-junction parametric capacitances，the Switching phenomenon of Power MOSFET and its cause of formation are analyzed in depth.The switching power loss and driving power are studied as viewed from practical applications.The calculation methods for relative parameters are proposed and various kinds of factors which make impacts on switching processes are studied by experiments.The conclusions are significant for proper usage of power MOSFET and design of driving circuit.

Keywords：power MOSFET;switching phenomenon;switching property;Miller effect;switching loss

目前在實際應用中功率MOSFET仍以硬開關工作方式為主，一方面隨著開關頻率的提高，開關器件的開關損耗越來越嚴重，另一方面功率MOSFET在開關過程中電壓電流發生急劇變化，多種因素相互影響，彼此關聯，如果使用不當將導致器件失效，甚至導致系統崩潰，引發嚴重事故，因此，分析功率MOSFET的開關特性，研究各種因素對開關過程的影響，從而保證器件安全可靠地工作并盡可能地減少開關損耗是十分重要的。

國內外許多相關文獻對功率MOSFET開關特性的研究或者側重于器件設計本身，或者是在特定的實驗條件下進行的，所得結論不適用于阻性負載的實際應用情況，《實際應用條件下Power MOSFET開關特性研究(上)》(見本刊2007年第21期175-178頁)已經詳細地分析了一般應用條件下(阻性負載)功率MOSFET的開關過程，本文進一步從功率MOSFET內部結構分析了功率MOSFET的開關現象，重新確立了阻性負載應用條件下開關損耗的近似計算公式，并對多種因素對開關特性的影響效果進行了實驗研究。

1 功率MOSFET 的開關現象

1.1 [ZK(]功率MOSFET內部結構和極間電容的電壓依賴關系[BT)]

為提高器件的耐壓和耐流能力， 功率MOSFET一般都采用垂直導電結構，圖1所示為VDMOSFET(N溝道)的內部單元結構圖。其中，柵源之間、漏源之間和柵漏極之間均存在著極間電容，這些電容的大小及其變化成為影響功率MOSFET開關過程的關鍵因素。由圖中可以看出，柵源電容CGS主要由三部分組成，即：

1.2 功率MOSFET開關行為^[4，5]

在功率MOSFET的實際應用中，許多情況下其負載都是電阻性或近似阻性的，因此本文在阻性負載條件下研究功率MOSFET開關行為。功率MOSFET的開通過程大致可分為下述4個階段，如圖3所示。

3 驅動功率[STBZ]^[5]

從能量損耗的角度，一個開關周期內驅動器為驅動MOSFET所消耗的能量包括兩部分，即導通期間消耗的能量和關斷期間消耗的能量。

導通期間驅動器所提供的全部能量一部分通過MOSFET的輸入電容Ciss存儲起來，一部分通過電阻(Rdrh+RGext+RGint)被消耗掉，被消耗掉的這部分能量:

4 開關特性實驗

4.1 開關過程影響因素實驗

本文在設定主回路電壓VDC=280 V，開關頻率為fs=80 kHz，阻性負載的實驗條件下，采用IR2110作為驅動器對影響功率MOSFET開關過程的多種因素進行了實驗研究。

圖7(a)，(b)分別為開通和關斷過程不同驅動源電壓下的柵源電壓VGS實驗波形，功率MOSFET為IRF840，實驗結果表明：驅動電源VCC的大小對開關過程的影響明顯，隨著VCC增大，開通速度加快，但關斷延遲時間變長，因此，VCC大小應適當。

圖8為開通過程不同柵極電阻下的柵源電壓VGS實驗波形，實驗結果表明：柵極電阻的大小對開關過程的影響很大，隨著RG減小，開關速度加快，但當RG過小時，柵極回路將發生振蕩，對開關過程的安全可靠性不利。

圖9為開通過程不同漏極電流下的柵源電壓VGS實驗波形，實驗結果表明：漏極電流的大小對開關過程的影響主要表現為對平臺期柵極電壓的影響，隨著ID增大，平臺期柵極電壓VGS(PL)將增大(二者之間的關系由MOSFET器件手冊的輸出特性曲線給出)，因此，主回路負載的大小對開關速度沒有顯著的影響。

圖10為開通過程不同MOSFET器件的柵源電壓VGS波形，實驗結果表明：不同功率MOSFET其開關特性不同，這是由于不同的器件其結構參數不同，因而CGS，CGD和CDS等電氣參數不同，故開關特性不同。因此在功率MOSFET應用時，應根據具體的器件型號來設計驅動電路。

4.3 驅動功率實驗測算

在本文圖11的實驗條件下，柵極電荷量QG可通過實驗和近似估算得到，QG=∫t4t0iGdt50 nC，故驅動IRF840型MOSFET所需的平均功率由式(11)計算約為60 mW。因此，在實際應用時驅動器所提供的驅動功率不是考慮的主要問題。

5 結 語

本文從功率MOSFET實際應用的角度出發，分析了功率MOSFET的開關現象，對功率MOSFET開關過程的功率損耗和所需驅動功率進行了研究，提出了有關參數的計算方法，并對多種因素對開關特性的影響進行了實驗研究。通過理論分析和實驗研究，可得出如下結論：

(1) 阻性負載條件下功率MOSFET的開通和關斷過程均可分為四個階段，其中第二階段和第三階段至關重要，器件的開關速度和開關損耗均主要取決于這兩個階段。

(2) 功率MOSFET所特有的開關現象(輸入等效電容急劇增大而出現平臺現象)是由

開通和關斷過程的第二階段和第三階段CGD的變化和密勒效應的雙重原因共同引起的。

(3) 柵極電阻對開關速度和開關損耗有顯著影響，而驅動源電壓對開通過程和關斷過程持續時間和損耗的分配有顯著影響，可通過降低驅動源電壓使總開關損耗減小。但驅動源電壓的大小同時影響MOSFET的導通電阻，從而影響通態損耗，因此驅動源電壓的選取應適當。

(4) 功率MOSFET器件數據手冊所給出的開關過程有關參數如Ciss，Coss，Crss，柵極電荷Q以及Tr，Tf等都是在特定的測試電路(如恒流負載、恒流驅動源)和測試條件下取得的，其數值對于功率MOSFET的實際應用的幫助是有限的，開關過程有關具體參數應根據具體應用場合和具體條件進行計算或實驗得到。

上述結論對于功率MOSFET的正確運用和設計合理的MOSFET驅動電路具有指導意義。

參考文獻

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作者簡介

方 波 男，1973年出生，講師，工學碩士，中國高校電子教育學會會員。研究方向為高頻開關電源技術。

張元敏 男，1963年出生，副教授，許昌學院電氣信息工程學院院長，中國高等學校電子教育學會常務理事。研究方向為電子技術與電源技術應用。

注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。”