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【功率器件研究所】第二課：如何理解功率MOSFET規(guī)格書(shū)（3/4）—— 動(dòng)態(tài)參數(shù)
六．動(dòng)態(tài)參數(shù)
圖6.1 IRFB11N50A datasheet section 7
如圖6.1，這組數(shù)據(jù)給出了結(jié)溫25度時(shí)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，這些參數(shù)反應(yīng)了器件在應(yīng)用時(shí)的真實(shí)狀態(tài)。
這些動(dòng)態(tài)參數(shù)是相輔相成的，有很多的內(nèi)在聯(lián)系，但大致可以分為四類(lèi)：跨導(dǎo)，電容，電荷以及開(kāi)關(guān)時(shí)間。
對(duì)于高壓器件來(lái)說(shuō)，其最高的開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，此時(shí)電容參數(shù)對(duì)它很重要。
對(duì)于低壓器件來(lái)說(shuō)，其最低的開(kāi)關(guān)頻率為100kHz，此時(shí)電荷參數(shù)對(duì)它很重要。
1．電容：
功率MOSFET的柵極附近和耗盡層中存在著大量寄生電容，這些電容的充電和放電特性，決定了功率MOSFET在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的開(kāi)關(guān)延遲。
為了提高器件的頻率特性，就需要降低功率MOSFET的電容，但是降低電容參數(shù)的時(shí)候，導(dǎo)通電阻RDS(on)會(huì)隨之增大。
在實(shí)際中用，我們使用Ciss，Coss和Crss三個(gè)參數(shù)來(lái)作為衡量功率MOSFET器件頻率特性的參數(shù)，它們并不是一個(gè)定值，而是隨著其外部施加給器件本身的電壓變化的(見(jiàn)圖6.2)。
圖6.2Typical Capacitancevs.Drain-to-Source Voltage
圖6.3MOSFET電容模型分布
我們就一般datasheet中會(huì)給出的幾種電容值分別做說(shuō)明：
1）輸入電容Ciss：
柵短路共源輸入電容，組成公式：
Ciss= CGD+CGS（CDS短路）
（式6.1）
在開(kāi)關(guān)過(guò)程過(guò)，輸入電容是影響導(dǎo)通時(shí)間和柵電荷的主要因素。
2）輸出電容Coss：
柵短路共源輸出電容，組成公式：
Coss= CDS+CGD（式6.2）
輸出電容是所有電容值中最重要的一個(gè)，因?yàn)樵谄骷P(guān)閉時(shí)，由于輸出電容的存在，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電流I=C(dv/dt)，如果這個(gè)電流過(guò)大的話(huà)，會(huì)嚴(yán)重影響包括雪崩能量在內(nèi)的各項(xiàng)性能。
3）反饋電容Crss：
柵短路共源反向傳輸電容，組成公式：
Crss= CGD （式6.3）
反饋電容也稱(chēng)米勒電容，存在于輸入，輸出電容中，受外加漏電壓影響而變化。
4）極限輸入，輸出電容：
一般用于測(cè)試輸入，輸出和反饋電容的測(cè)試條件是：VGS=0V，VDS =25V，?=1.0MHz。只有在需要繪制如圖6.24的曲線圖時(shí)，才需要測(cè)試VDS=1V及400V（80％額定電壓）的各項(xiàng)電容值。
5）有效輸出電容Cosseff：
如圖6.4，主要是一個(gè)RC充電的動(dòng)作，截取開(kāi)始充電時(shí)間至80％額定電壓，進(jìn)而得到一個(gè)有效輸出電容。
圖6.4MOSFET有效電容定義圖
從上述對(duì)各電容的描述中，可以看出，其實(shí)輸入輸出電容也好，反饋電容也好，都是CGS，CGD和CDS三個(gè)電容在變化組合。下面我們參照?qǐng)D6.7，分別進(jìn)行說(shuō)明。
圖6.7 MOSFET Turn-onWaveform
（1）CGS：
柵源間電容。主要由3部分組成:
CGS =CGS P+ CGS N++ CGS M
（式6.4）
其中：
CGS P：
柵和P-body間的電容。它是由Poly和P-body為上下極板，GateOxide為介質(zhì)構(gòu)成的（圖6.5中藍(lán)色部分），它受到柵壓，漏壓和溝道長(zhǎng)度的影響。
圖6.5 MOSFET電容主要組成部分
當(dāng)漏壓VDS上升時(shí)，耗盡區(qū)擴(kuò)展到P-body區(qū)域，導(dǎo)致CGSP的下降。這之后，即使漏壓VDS上升到擊穿電壓，CGSP幾乎沒(méi)有變化，因?yàn)楹谋M區(qū)不能越過(guò)P-body的10%。因此，由于VDS導(dǎo)致的CGSP非常微小。
CGS N+：
柵和N+擴(kuò)散區(qū)間的電容。它是由Poly和N+相交區(qū)域作為上下極板，兩者相交區(qū)域的GateOxide為介質(zhì)構(gòu)成的（圖6.5中紅色部分）。根據(jù)電容計(jì)算公式，我們得到：
（式6.5）
其中：
εox：柵氧層的介質(zhì)常數(shù)；
tox：柵氧層厚度；
AN+O：是柵電極與N+相交區(qū)域的面積。
所以，也可以簡(jiǎn)化為相交部分氧化層電容COX與Poly和N+相交區(qū)域面積的乘積。
CGS M:
是柵和源金屬間的電容。它是由Poly和引出Source的金屬層相交區(qū)域作為上下極板，兩者相交區(qū)域的絕緣介質(zhì)為介質(zhì)構(gòu)成的（圖6.5中黃色部分）。根據(jù)電容計(jì)算公式，我們得到
（式6.6）
其中：
εl：中間絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)；
tO：中間絕緣介質(zhì)的厚度；
AO：柵電極與源相交部分的面積；
（2）CGD:
是柵漏間的電容。它是由兩個(gè)電容串聯(lián)而成的：
（式6.7）
其中：
CGDox：
柵極氧化層電容，它是由Poly和外延層耗盡區(qū)相交區(qū)域作為上下極板，兩者相交區(qū)域的GateOxide為介質(zhì)構(gòu)成的（圖6.5綠色部分）。
CGDdep：
外延層耗盡區(qū)電容，它是由GateOxide和外延層相交區(qū)域作為上下極板，兩者相交區(qū)域的外延層耗盡區(qū)為介質(zhì)構(gòu)成的（圖6.5紫色部分）。
由于耗盡層的寬度是由VDS的大小來(lái)決定的，當(dāng)VDS很大時(shí)，CGDdep就會(huì)因?yàn)楹谋M層的逐漸展寬而變小，從而使CGD也相應(yīng)變小。
功率MOSFET的頻率響應(yīng)受輸入電容的充放電限制。如果決定輸入電容的CGS，CGD變小，該器件才可能在高頻工作。因?yàn)檩斎腚娙菖c溫度無(wú)關(guān)，因此，MOSFET的開(kāi)關(guān)速度與溫度無(wú)關(guān)。
柵漏電容CGD是與電壓成非線性關(guān)系，是一個(gè)極為重要的參數(shù)，因?yàn)樗陔娐份斎牒洼敵鲋斜ＷC了有一個(gè)反饋回路的存在。由于柵漏電容CGD使得動(dòng)態(tài)輸入電容變得大于靜態(tài)電容的總和，所以我們也把柵漏電容CGD稱(chēng)為米勒電容。
（3）CDS:
是漏源間的電容。它的值由于隨著VDS及其電容厚度（即P-body與N-漂移區(qū)的結(jié)厚度）的變化而變化：
（式6.8）
當(dāng)VDS遠(yuǎn)大于ΦB時(shí)，CDS會(huì)隨著VDS的增加而降低。
所以，從工藝角度來(lái)看，溝道長(zhǎng)度越短，柵氧厚度越厚，功率MOSFET的電容越小。但是溝道長(zhǎng)度不能太短，這樣會(huì)引起溝道容易穿通，出現(xiàn)軟擊穿現(xiàn)象。同時(shí)柵氧厚度的減小也不是沒(méi)有限度的，必須保證合適的Vth以及柵耐壓柵漏電的問(wèn)題。
電容數(shù)值的作用是有限的。輸入電容值只給出一個(gè)大概的驅(qū)動(dòng)電路所需的充電說(shuō)明。而柵極充電信息則更為有用。
3．電荷：
作為評(píng)估和計(jì)算MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)電路及損耗的標(biāo)準(zhǔn)，柵電荷對(duì)于電路設(shè)計(jì)人員的意義重大。而之所以將跨到也納入電荷分類(lèi)中，主要是因?yàn)槠涮貏e的溫度系數(shù)，這一因素也必須考慮在柵極驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中。
1）跨導(dǎo)gfs：
跨導(dǎo)是指漏極輸出電流的變化量與柵源電壓變化量之比，是柵源電壓對(duì)漏極電流控制能力大小的量度。
例如，如果gfs=10S的話(huà)，表示柵電壓每增加1V，漏電流就升高10A。
之前我們說(shuō)過(guò)，跨導(dǎo)是一個(gè)有著特別溫度系數(shù)特性參數(shù)。如圖6.6，25℃和175℃兩條曲線有一個(gè)交點(diǎn)，此交點(diǎn)對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的VGS和ID。
圖6.6 典型跨導(dǎo)曲線
若稱(chēng)這個(gè)交點(diǎn)的VGS為轉(zhuǎn)折電壓（這里約6.8V），可以看到：
在VGS轉(zhuǎn)折電壓的左下部分曲線，VGS電壓一定時(shí)，溫度越高，所流過(guò)的電流越大，溫度和電流形成正反饋，即MOSFET的RDS(on)為負(fù)溫度系數(shù)，可以將這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為RDS(on)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域。
而在VGS轉(zhuǎn)折電壓的右上部分曲線，VGS電壓一定時(shí)，溫度越高，所流過(guò)的電流越小，溫度和電流形成負(fù)反饋，即MOSFET的RDS(on)為正溫度系數(shù)，可以將這個(gè)區(qū)域稱(chēng)為RDS(on)正溫度系數(shù)區(qū)域。由對(duì)于一般的高壓器件的應(yīng)用，VGS都會(huì)大于10V，所以在沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下，都認(rèn)為MOSFET的RDS(on)有正溫度系數(shù)特性。
但是，柵電壓VG需要一個(gè)建立過(guò)程，尤其是在MOSFET并聯(lián)使用時(shí)，必須盡量減少在RDS(on)的負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域內(nèi)的時(shí)間，也就是說(shuō)，必須使柵電壓VG在最短的時(shí)間內(nèi)上升至目標(biāo)電壓。而用以衡量這一點(diǎn)的正是柵極充電電量Qg。
2）柵極總充電電量Qg，柵源充電電量Qgs，柵漏充電電量Qgd:
為達(dá)到一個(gè)特定的柵源電壓，柵極所必須充的電量就叫做Qg。
MOSFET 是電壓型驅(qū)動(dòng)器件，驅(qū)動(dòng)的過(guò)程就是柵極電壓的建立過(guò)程，這是通過(guò)對(duì)柵源及柵漏之間的電容Ciss充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
由于CGD是一個(gè)隨電壓變化的參數(shù)，所以在給定電容規(guī)范的時(shí)候，引入了Qg，來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員計(jì)算柵極所需的電荷數(shù)量：
（式6.9）
例如，在Gate上加1mA，達(dá)到開(kāi)啟所需的20nC需要20mS的話(huà)，根據(jù)式6.9，可以得到如果在Gate上加1A，那么需要20nS來(lái)達(dá)到開(kāi)啟所需的20nC。
那么如何定義Qg，Qgs和Qgd的值呢？
如圖6.13，Gate上接外接電源，VG開(kāi)始上升。
在t1時(shí)，VG升至開(kāi)啟電壓Vth，此時(shí)MOSFET導(dǎo)通，Drain電流開(kāi)始對(duì)CGS充電，在開(kāi)始到t1過(guò)程中的充電電量定義為Qgs1。
在t2時(shí)，CGS充電完成，Drain電流到達(dá)我們需要的ID值，并進(jìn)入恒定線性區(qū)域，Drain電壓開(kāi)始下降，Drain電流開(kāi)始對(duì)米勒電容CGD充電，在t1到t2過(guò)程中的充電電量定義為Qgs2。
于是有：
Qgs = Qgs1 + Qgs2
（式6.10）
在t3時(shí)，米勒電容CGD充電完成，開(kāi)始對(duì)CGS進(jìn)行過(guò)沖，在t2到t3過(guò)程中的充電電量定義為Qgd。
在t4時(shí)， Gate上的電壓達(dá)到指定電壓后，保持恒定。整個(gè)從開(kāi)始到此時(shí)的電荷總量就是datasheet中所給出的柵極總充電電量Qg。
Qg在實(shí)際應(yīng)用中是一個(gè)很重要的參數(shù),尤其是在高頻低電壓開(kāi)關(guān)電路中，開(kāi)關(guān)器件的Qg一定要越低越好，這是因?yàn)樵谟绊戦_(kāi)關(guān)損耗的參數(shù)中,我們唯一能改善的就只有Qg了。
（式6.11）
根據(jù)式6.11，我們假設(shè)上升時(shí)間和下降時(shí)間相等，則可以得到：
（式6.12）
又由于Q=I·t，所以我們可以得到：
（式6.13）
式6.13 就是開(kāi)關(guān)功率損耗的計(jì)算公式。
其中：
fSW是開(kāi)關(guān)頻率，這個(gè)是由客戶(hù)端應(yīng)用電路決定的。
VDS和ID是器件的額定電壓和電流，這個(gè)是由設(shè)計(jì)端決定的。
所以如之前所說(shuō)的，唯一能進(jìn)行優(yōu)化的，就只有Qg這個(gè)參數(shù)了,越小的Qg，產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗就越低。
此外，Qg與RDS(on)的乘積R×Q與RSP一起，作為評(píng)估MOSFET性能的質(zhì)量因素FOM（Figure ofMerits），被廣泛的接受和使用。
4．開(kāi)關(guān)時(shí)間：
開(kāi)關(guān)時(shí)間包含四個(gè)參數(shù)，如圖6.8
圖6.8 MOSFETSwitchingWaveform
這四個(gè)參數(shù)分別是：
1）導(dǎo)通延遲時(shí)間td(on):
從有輸入電壓上升到 10%開(kāi)始到 VDS下降到其幅值 90%的時(shí)間
2）上升時(shí)間tr:
輸出電壓 VDS從90%下降到其幅值10%的時(shí)間
3）導(dǎo)通延遲時(shí)間td(off):
輸入電壓下降到90%開(kāi)始到 VDS上升到其關(guān)斷電壓時(shí)10%的時(shí)間。
4）上升時(shí)間tf:
輸出電壓 VDS從10%上升到其幅值90%的時(shí)間。
開(kāi)關(guān)時(shí)間都是在純電阻電路中測(cè)試所得的，用以表征器件的導(dǎo)通和關(guān)斷特性，從而預(yù)估出器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中的能量損耗。
但是，在真實(shí)的應(yīng)用中，沒(méi)有一個(gè)電路是純電阻電路，所以開(kāi)關(guān)時(shí)間一般用于不同器件間的性能對(duì)比，其值并不能用于實(shí)際的應(yīng)用電路的計(jì)算。
TO BE CONTINUED