影响MOS管开关速度的因素.docx

影响MOS管开关速度的因素1.概述MOSFE 的 T 原意是：MO(S Metal Oxide Semiconductor 金属氧化物半导 体)，FET (Field Effect Transistor场效应晶体管)，即以金属层(M)的栅极隔着氧化层(O)利用电场的效应来控制半导体(S)的场效应 晶体管在这里主要谈一下功率场效应晶体管即功率MOSFET功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型，但通常主要指绝缘栅型中的MOS 型 (Metal Oxide Semiconductor FET ),简称功率 MOSFE (TPowerMOSFE)T结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管(StaticInduction Transistor SIT)其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开 关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR,但其电流容量小，耐压低，一般 只适用于功率不 超过10kW的电力电子装置功率MOSFE的T种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N (P)沟道器件，栅极电压大于(小于)零时才存在导电沟道。

但实际应用的只有增强型的 N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMO，S或者PMOS指的就是 这两种，而 功率MOSFE主T要是N沟道增强型功率MOSFE的T工作原理截止：漏源极间加正电源，栅源极间电压为零P基区与N漂移区之间形 成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过导电：在栅源极间加正电压UGS，栅极是绝缘的，所以不会有栅极电流流 过但栅 极的正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子一电 子吸引到栅极下面的P区表面当UGS大于UT （开启电压或阈值电压）时，栅极下P区表面的电子浓度 将超过空穴浓度，使P型半导体反型成N型而成为反型层，该反型层形成N 沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电MOS管利用低电压控制导通 MOS管有三个极，栅极，漏极，源极，可以用一个极控制其他2个极的导通 主要是控制类似于三极管功率MOSFE的T基本特性静态特性；其转移特性和输出特性如图2所示漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFE的T转移特性，ID较 大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率定义为跨导GfsMOSFE的T漏极伏安特性（输出特性）：截止区（对应于GTR的截止区）；饱和区 对应于GTR的放大区）；非饱和区（对应于GTR的饱和区）。

电力MOSFE工T作在开 关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换电力MOSFE漏T源极之间有寄生二极管，漏源极间加反向电压时器件导通电力MOSFE的T通态电阻具有正温度系数，对器件并联时的均流有利二、动态特性MOS管在导通与截止两种状态发生转换时同样存在过渡过程，但其动态特性 主要取决 于与电路有关的杂散电容充、放电所需的时间，而管子本身导通和截 止时电荷积累和 消散的时间是很小的图 3.9(a) 和 (b) 分别给出了一个 NMOS管组成的电路及其动态特RdID—xUOUdd?UoiUdd导通(>图3.9NMOS管动态特性示意图当输入电压u由高变低，MOS管由导通状态转换为截止状态时，电源Ui DD通过R向杂散电容C充电，充电时间常数t =RC所以，输出电压u要通D L 1 D L o过一定延时才由低电平 变为高电平；当输入电压u由低变高，MOS管由截止i状态转换为导通状态时，杂散电容C上的电荷通过r进行放电，其放电时L DS间常数t ~r C可见，输出电压U也要经过一定延时才能转变成低电2 DS L o平但因为r比R小得多，所以，由截止到导通的转换时间比由导通到截止DSD的转换时间要短。

由于MOS管导通时的漏源电阻r比晶体三极管的饱和电阻r 要大得DS CES多，漏极外接电阻R也比晶体管集电极电阻R大，所以，MOS管的充、放电DC时间较长，使MOS管的开关速度比晶体三极管的开关速度低不过，在CMOS 电路中，由于充电电路和放电电 路都是低阻电路，因此，其充、放电过程都比 较快，从而使 CMOS电路有较高的开关速度其动态特性的测试电路和开关过程波形如图 3 所示开通过程；开通延迟时间td(on) — Up前沿时刻到UGS二UT并开始出现ID 的时刻 间的时间段；上升时间tr — UGS从UT 上升到M0SFE进T入非饱和区的栅压UGSP的 时间段；ID稳态值由漏极电源电压UE和漏极负载电阻决定UGSP的大小和 ID的稳态值有关，UGS达到UGSP后，在Up作用下继续升高直至达到稳态， 但 ID 已不变开通时间 ton —开通延迟时间与上升时间之和关断延迟时间td(off) —Up下降到零起，Cin通过Rs和RG放电，UGS 按指数曲线 下降到UGSP时，ID开始减小为零的时间段下降时间tf — UGS从UGSP继续下降起，ID减小，到UGS关断时间 toff —关断延迟时间和下降时间之和。

MOSFET的开关速度MOSFET 的开关速度和 Cin 充放电有很大关系，使用者无法降低 Cin ，但可 降低驱 动电路内阻Rs减小时间常数，加快开关速度，MOSFE只T靠多子导 电， 不存在少子储存 效应，因而关断过程非常迅速，开关时间在 10—100ns 之间，工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的场控器件 静态时几乎不需输入电流但在开关过 程中需对输入电容充放电，仍需一定的 驱动功率开关频率越高，所需要的驱动功率 越大动态性能的改进功率MOSFE的T情况有很大的不同它的dv/dt及dI/dt的能力常以每 纳秒（而不 是每微秒）的能力来估量但尽管如此，它也存在动态性能的限 制这些我们可以从 功率MOSFE的T基本结构来予以理解图4是功率MOSFE的T结构和其相应的等效电路除了器件的几乎每一部 分存在电容以外，还必须考虑MOSFE还T并联着一个二极管同时从某个角 度看、它还存在一个 寄生晶体管就像IGBT也寄生着一个晶闸管一样） 这几个方面，是研究 MOSFET 动态特性很重要的因素首先MOSFE结T构中所附带的本征二极管具有一定的雪崩能力通常用单次雪崩能力和重复雪崩能力来表达。

当反向 dI/dt 很大时，二极管会承受一个速度非 常快的脉 冲尖刺，它有可能进入雪崩区，一旦超越其雪崩能力就有可能将器 件损坏作为任一种PN结二极管来说，仔细研究其动态特性是相当复杂 的它们和我们一般理解 PN结正向时导通反向时阻断的简单概念很不相同当电流迅速下降时，二极管有 一阶段失去反向阻断能力，即所谓反向恢复时间PN结要求迅速导通时， 也会有一段时间并不 显示很低的电阻在功率MOSFE中T 一旦二极管有正 向注入，所注入的少数载流子也会增加作为多子器件的MOSFE的T复杂 性功率MOSFE的T设计过程中采取措施使其中的寄生晶体管尽量不起作 用在不同代功率MOSFE中T其措施各有不同，但总的原则是使漏极下的 横向电阻RB尽量小因 为只有在漏极N区下的横向电阻流过足够电流为这 个N区建立正偏的条件时，寄生的双极性晶闸管才开始发难然而在严峻的 动态条件下，因 dv/dt 通过相应电容引起的 横向电流有可能足够大此时 这个寄生的双极性晶体管就会起动，有可能给 MOSFE带T 来损坏所以考虑瞬态性能时对功率MOSFE器T件内部的各个电容（它是 dv/dt 的通道） 都必须予以注意功率MOSFE驱T动电路跟双极性晶体管相比，一般认为使MOS管导通不需要电流，只要GS电 压高于一定 的值，就可以了。

这个很容易做到，但是，我们还需要速度 在MOS管的结构中可以看到，在GS， GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电 对电容的充电需要一个电流，因为对电 容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电 流会比较大选择 /设计 MOS 管驱动时第一要注意的是可提供瞬间短路电流的大小 第二注意的是，普遍 用于高端驱动的 NMO，S 导通时需要是栅极电压大于源极电压 而高端驱动 的MOS管导通时源极电压与漏极电压(VCC)相同，所以这时栅极电压要比 VCC大4V或10V如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专 门的升压电 路了很多马达驱动器都集成了电荷泵，要注意的是应该选择合 适的外接电容，以得 到足够的短路电流去驱动MOS管上边说的4V或10V 是常用的MOS管的导通电压，设 计时当然需要有一定的余量而且电压越 高，导通速度越快，导通电阻也越小功率MOSFE是T电压型驱动器件，没 有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度 可以很高，驱动功率 小,电路简单但功率MOSFE的T极间电容较大，输入电容CISS、输出 电容COSS和反馈电容CRSS与极间电容的关系可表述为：功率MOSFE的T 栅极输入 端相当于一个容性网络， 它的工作速度与驱动源内阻抗有关。

由 于 CISS 的存在，静态 时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程 中，仍需要一定的驱动电流假 定开关管饱和导通需要的栅极电压值为 VGS，开关管的开通时间TON包括开通延迟时 间TD和上升时间TR两部 分开关管关断过程中，CISS通过ROFF放电，COSS由RL充电，COSS 较大，VDS (T)上升较慢，随着VDS (T)上升较慢，随着VDS (T)的升高 COSS迅速减小至接近于零时，VDS (T)再迅速上升根据以上对功率MOSFE特T性的分析，其驱动通常要求：触发脉冲要具 有足够快的上升和下降速度；②开通时以低电阻力栅极电容充电，关断时为栅 极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFE的T开关速度；③为了使功率 MOSFE可T靠触发导通，触发脉 冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压； ④功率开关管开关时所需驱动电流为栅 极电容的充放电电流，功率管极间电容越大， 所需电流越大，即带负载能力越 大几种MOSFE驱T动电路介绍及分析不隔离的互补驱动电路图7( a)为常用的小功率驱动电路，简单可靠成本低适用于不要求隔离的 小功率开 关设备。

图7 (b)所示驱动电路开关速度很快，驱动能力强，为防 止两个MOSFE管T直 通，通常串接一个0.5〜1Q小电阻用于限流，该电路 适用于不要求隔离的中功率开关设备这两种电路特点是结构简单jrn_V2功率MOSFE属T于电压型控制器件，只要栅极和源极之间施加的电压超过 其阀值电压就会导通由于MOSFE存T在结电容，关断时其漏源两端电压的 突然上升将会通过结 电容在栅源两端产生干扰电压常用的互补驱动电路的关 断回路阻抗小，关断速度较 快，但它不能提供负压，故抗干扰性较差为了提 高电路的抗干扰性，可在此种驱动电路的基础上增加一级有VI、V2、R组成的 电路，产生一个负压，电路原理图如图 8 所示当V1导通时，V2关断，两个MOSFE中T的上管的栅、源极放电，下管的 栅、源极 充电，即上管关断，下管导通，则被驱动的功率管关断；反之VI关 断时，V2导通，上管导通，下管关断，使驱动的管子导通因为上下两个管 子的栅、源极通过不同的回 路充放电，包含有 V2 的回路，由于 V2 会不断退 出饱和直至关断，所以对于S1而言导通比关断要慢，对于S2而言导通比关 断要快，所以两管发热程度也不完全一样，S1比S2发热严重。

该驱动电路的缺点是需要双电源，且由于R的。