如何避免功率MOSFET發生寄生導通?

模擬技術 時間:2022-04-14來源:英飛凌汽車電子生態圈

編者按:該文描述了引起功率MOSFET發生寄生導通的機制,并進一步指出為了避免寄生導通,在選取MOSFET時應遵循什么準則。

功率MOSFET的寄生導通

實際上,功率MOSFET發生寄生導通(不希望發生的事件)的機率比我們的預計更高,造成的損失也更大。寄生導通通常會損壞MOSFET,且之后很難查出故障的根源。寄生導通機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導通了,為了避免直通和因過流而可能出現的MOSFET故障,必須關斷半橋下管的一個MOSFET。

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圖1   MOSFET半橋及其感性負載

此時,可通過下列公式(1)計算出柵極和源極間的電壓:

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因此,即便驅動電路試圖關斷半橋下管的MOSFET,即驅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仍然有導通的風險。電容分壓器是最快的分壓器,對漏源之間出現的所有瞬態電壓反應極快,并對其中的高頻瞬態電壓(即du/dt高的UDS )反應尤其快。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),而電機的相電流和電源線里的電流變化相對平穩。

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圖2 具有寄生電感(綠色部分)的逆變器半橋基本設計圖

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

為避免寄生導通,如何選取MOSFET

再看公式(1):

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為了防止寄生導通,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:為了對寄生導通反應低敏,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據手冊摘錄所需的值(本例中的器件為用于電機驅動的 IPB80N04S3-03, OptiMOS-T 40V功率MOSFET):

由于:

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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通。

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圖3  數據手冊中的電容值

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

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

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圖4    柵漏電容和柵源電容與漏源電壓的典型關系

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圖5 MOSFET在不同的大電流應用中CGS/CGD 的比較

關鍵詞: MOSFET 英飛凌

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