实际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(下)

实际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(下)


2024年4月9日发(作者:)

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2008年第5期总第268 

实际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(下) 

方 波 ,张元敏 ,崔卫群 

(1.许昌学院电信学院 河南许昌461000;2.信息工程大学 河南郑州450001) 

摘 要:从功率MOSFET内部结构和极间电容的电压依赖关系出发,对功率MOSFET的开关现象及其原因进行了较 

深入分析。从实际应用的角度,对功率MOSFET开关过程的功率损耗和所需驱动功率进行了研究,提出了有关参数的计算 

方法,并对多种因素对开关特性的影响效果进行了实验研究,所得出的结论对于功率MOSFET的正确运用和设计合理的 

MOSFET驱动电路具有指导意义。 

关键词:功率MOSFET;开关现象;开关特性;密勒效应;开关损耗 

中图分类号:TN386 文献标识码:A 文章编号:1004—373X(2OO8)O5—145—04 

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

FANG 13o ,ZHANG Yuanmin ,CUI Weiqun 

(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 signif— 

ieant for proper usage of power MOSFET and design of driving circuit. 

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

目前在实际应用中功率M0SFET仍以硬开关工作方 

式为主,一方面随着开关频率的提高,开关器件的开关损 

1功率MOSFET的开关现象 

耗越来越严重,另一方面功率M0SFET在开关过程中电 

1.1 功率M0SFET内部结构和极间电容的电压依赖 

压电流发生急剧变化,多种因素相互影响,彼此关联,如果 

关系 

使用不当将导致器件失效,甚至导致系统崩溃,引发严重 为提高器件的耐压和耐流能力,功率MOSFET一般 

事故,因此,分析功率M0SFET的开关特性,研究各种因 

都采用垂直导电结构,图1所示为VDM0SFET(N沟道) 

素对开关过程的影响,从而保证器件安全可靠地工作并尽 

的内部单元结构图。其中,栅源之间、漏源之间和栅漏极 

可能地减少开关损耗是十分重要的。 

之间均存在着极间电容,这些电容的大小及其变化成为影 

国内外许多相关文献对功率MOSFET开关特性的研 

响功率M0SFET开关过程的关键因素。由图中可以看 

究或者侧重于器件设计本身,或者是在特定的实验条件下 

出,栅源电容CG 主要由三部分组成,即: 

进行的,所得结论不适用于阻性负载的实际应用情况,《实 

CGs—CGs +CGsP+CGsM (1) 

际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(上)》(见本 

栅源电容主要由两部分组成,即: 

刊2007年第21期175—178页)已经详细地分析了一般应 

CG。一 (2) 

用条件下(阻性负载)功率MOSFET的开关过程,本文进 

L ̄GDOX_t_ ̄GDBULK 

步从功率MOSFET内部结构分析了功率MOSFET的 

漏源电容CD 为漏源耗尽层间电容。上述这些电容在 

开关现象,重新确立了阻性负载应用条件下开关损耗的近 

开关过程中将随着半导体结构状态的改变而发生显著的 

似计算公式,并对多种因素对开关特性的影响效果进行了 

变化,而极间电容的变化反过来又将影响开关过程,其中 

实验研究。 

CG。受开关过程的影响和他本身的变化对开关过程的影响 

都最为显著。 

收稿日期:2007—10—16 

当V璐很大时,空间电荷区较宽,因此 DBUL 很小,有 

基金项目:河南省科技攻关计划项目(O721O224OO33) 

CG傩m 《CGDUx,故CG。 CGDBU ,即栅漏电容主要由c ULx 

1 45 

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决定且保持一个较小的值。随着 

窄, D叽 增大。当 减小至 

波等:实际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(下) 

载电阻R上产生压降而使V。 迅速下降。栅极充电等效电 

路如图4(b)所示。V。 的迅速下降一方面使 。快速增大, 

JT, 

的减小,空间电荷区变 

一 (即 。一O)时,空 

间电荷区收缩至栅极氧化层与半导体边界,从而使得C(一 

另一方面,K一—tl  V Ds一一g ・R ,根据密勒定理,将C。。折 

u y GS 

在CG。中占主导地位。随着 

进一步减小,空间电荷区进 

的依赖关系如图2所 

步收缩,CGDUX从而CG。进一步迅速增大,直至最终V 接 

近于零时cG。趋于最大值。 。与 

算到输人端,其栅极输人等效电容值将增大为C 一C。 

+(1一K)CG。。 

示。 

畚斌屡 

(3)t ~t。:t 时刻V 下降至接近 

着VDs减小至接近于通态压降 

(即 。 0), 

CG。开始急剧增大,漏极电流 已接近最大额定电流值。随 

・R 。 ,CG。趋于最大值 

辅极 

图1 VDMOSFET(N沟道)内部单元结构图 

C∞ 

————————\ 

:\、、 

P , ns 

图2 CGD—VDs曲线 

图1中极间电容CG。和CG 均是其各自极间电压的 

非线性函数,但其电容值与其极间电压的依存度以及电容 

值的变化对开关过程的影响远不如CG。。 

1.2 功率MOSFET开关行为E4,s3 

在功率MOSFET的实际应用中,许多情况下其负载 

都是电阻性或近似阻性的,因此本文在阻性负载条件下研 

究功率MOSFET开关行为。功率MOSFET的开通过程 

大致可分为下述4个阶段,如图3所示。 

L 

——

{, L

_‘。_。●‘‘‘ 。。。一 

一 

— 

毒 

十_

———一 

\ 

} /L 

VDS 

- 

. 

/| \、、

~ 

图3 功率MOSFET开关行为 

(1)to~t :t。时刻给功率MOSFET加上理想开通驱 

动信号,栅极电压从0上升到门限电压V。 蝴,MOSFET上 

的电压电流都不变化,C。。很小且保持不变。MOSFET栅 

极充电等效电路如图4(a)所示。 

(2)t ~t :MOSFET工作于恒流区,漏极电流I。等 

效于一个压控电流源,他随着V。 快速线性增大,I。在负 

】46 

( 时刻)。在此过程中,一方面CG。本身很大,另一方面,K 

JT, 

一 

绝对值很大,由于密勒效应,等效输人电容Cn2。非常 

UV GS 

大,从而引起栅极平台的出现,栅极电流几乎全部注人CGD, 

使 下降,其栅极充电等效电路如图4(c)所示。 

(4)ta~t : 时刻后 下降至通态压降并基本不变, 

CG。亦保持最大值基本不变,但密勒效应消失,C 一C + 

CGD,栅极电流同时对cG 和G’。充电,栅极平台消失,栅源 

电压不断上升直至接近驱动源的电源电压VDD,上升的栅源 

电压使漏源电阻R 。 减小。t 时刻以后MOSFET进人完 

全导通状态。其栅极充电等效电路如图4(d)所示。 

功率MOSFET关断过程与开通过程恰好相反,如 

图3(t ~t。)所示。 

衄r 0 

fc) (d) 

图4 M0SFET开通过程栅极充电等效电路 

2功率MOSFET开关损耗计算 

由图3可知,功率M()SFET硬开关过程中开关损耗 

大,开通时主要发生在t ~t 期间,关断时主要发生在 

t ~t。期间,且随着开关频率的提高而线性增长。为简便 

起见,将图3中漏源电压V 和漏极电流I。作分段线性化 

处理,如图5(a)、(b)所示,并设M0s管导通电流为 , 

关断漏源电压为VDD,t 和t 时刻所对应的漏源电压均为 

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2008年第5期总第268 

VDs(TP】,转换周期为T,则由图5可得在t ~tz,tz~t。,te~ 

t 和t ~t 区间的平均功耗为: 

:一 一 Ⅸ。 (2 c n+VDD) (3) 

P2。一 。 一 肌 VD " (4) 

故在一个开关周期内的平均开通损耗为: 

[去,D(on)(2VDs(TP)+ DD)At12+ 

,D( VDs(TP)At:。]/T (5) 

在一个开关周期内的平均关断损耗为: 

PoH一[1i

D(。 )

(2 DS(TP)+ DD)△£7 + 

,D(。n】 DS(TPj At。7]/T (6) 

故在一个周期内总的转换损耗为: 

P 一 。 + 。“一[1i

D( 

(2 TP)+VDD)(A£ :+ 

At78)+1I

。(on】 s(TP)

(At2。+At67)]/T (7) 

图5漏源电压VDs和漏极电流ID分段线性化 

3 驱动功率 ] 

从能量损耗的角度,一个开关周期内驱动器为驱动 

M0SFET所消耗的能量包括两部分,即导通期间消耗的 

能量和关断期间消耗的能量。 

导通期间驱动器所提供的全部能量一部分通过 

MOSFET的输入电容C; 存储起来,一部分通过电阻(R 

+R。 +R。 )被消耗掉,被消耗掉的这部分能量: 

r r 

Em )一I

J 

 G( 一 s)dt—I(

√ 

 c—Vcs)dQc(8) 

关断期间消耗的能量即导通期间输入电容c 存储起 

来的那部分能量: 

r r 

【0lf)一I

J 

 。 sdt—I

J 

 sdOo (9) 

故在一个开关周期内所消耗的总能量为: 

r r 

E 一 )+ (olf)一I

J 

( 一 s)dQc+I

J 

V。sd 

r 

I cdQc— c (1O) 

J 

故在一个开关周期内栅极回路所消耗的平均功率即 

驱动M0SFET所需的平均功率为: 

P 一E /T—E f= f (11) 

应用栅极电荷曲线可以直观地反映出导通期间消耗 

的能量和关断期间消耗的能量,如图6所示。 

图6 开关过程中驱动能量消耗 

4开关特性实验 

4.1开关过程影响因素实验 

本文在设定主回路电压 一280 V,开关频率为 一 

80 kHz,阻性负载的实验条件下,采用IR2110作为驱动器 

对影响功率MOSFET开关过程的多种因素进行了实验 

研究。 

图7(a),(b)分别为开通和关断过程不同驱动源电压 

下的栅源电压 实验波形,功率MOSFET为IRF840,实 

验结果表明:驱动电源 蔗的大小对开关过程的影响明显, 

随着 cc增大,开通速度加快,但关断延迟时间变长,因此, 

V 大小应适当。 

(丑)开通过程不同‰下 波形 

(b】关断过程不同 F 披形 

图7 开通及关断实验波形 

图8为开通过程不同栅极电阻下的栅源电压 Gs实验 

波形,实验结果表明:栅极电阻的大小对开关过程的影响 

很大,随着R。减小,开关速度加快,但当R。过小时,栅极 

回路将发生振荡,对开关过程的安全可靠性不利。 

图9为开通过程不同漏极电流下的栅源电压 实验 

波形,实验结果表明:漏极电流的大小对开关过程的影响 

主要表现为对平台期栅极电压的影响,随着f。增大,平台 

期栅极电压 。 将增大(--者之间的关系由MOSFET 

1 47 

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方波等:实际应用条件下Power MOSFET开关特性研究(下) 

器件手册的输出特性曲线给出),因此,主回路负载的大小 措施调整开通时间和关断时间的比例以使总开关损耗适 

对开关速度没有显著的影响。 

当减小。 

图8开通过程不同RG下的VGs实验波形 

图11 MOSFET功率损耗实验波形 

4.3 驱动功率实验测算 ‘ 

在本文图11的实验条件下,栅极电荷量 可通过实 

rf. 

验和近似估算得到, —I icdt 50 nC,故驱动IRF840 

J 

型MOSFET所需的平均功率由式(11)计算约为6O mw。 

因此,在实际应用时驱动器所提供的驱动功率不是考虑的 

主要问题。 

图9开通过程不同』D下的 Gs买验波形 

5 结 语 

图1O为开通过程不同MOSFET器件的栅源电压V。 

波形,实验结果表明:不同功率MOSFET其开关特性不 

本文从功率MOSFET实际应用的角度出发,分析了 

同,这是由于不同的器件其结构参数不同,因而 , 。和 

功率MOSFET的开关现象,对功率MOSFET开关过程的 

Cn 等电气参数不同,故开关特性不同。因此在功率MOS— 

功率损耗和所需驱动功率进行了研究,提出了有关参数的 

FET应用时,应根据具体的器件型号来设计驱动电路。 

计算方法,并对多种因素对开关特性的影响进行了实验研 

究。通过理论分析和实验研究,可得出如下结论: 

(1)阻性负载条件下功率MOSFET的开通和关断过 

程均可分为四个阶段,其中第二阶段和第三阶段至关重 

要,器件的开关速度和开关损耗均主要取决于这两个 

阶段。 

(2)功率MOSFET所特有的开关现象(输入等效电 

容急剧增大而出现平台现象)是由 

图1O 开通过程不同MOSFET器件的 GD波形 

开通和关断过程的第二阶段和第三阶段 。的变化 

和密勒效应的双重原因共同引起的。 

4.2功率MOSFET开关过程的功率损耗实验 

(3)栅极电阻对开关速度和开关损耗有显著影响,而 

开通过程MOSFET功率损耗实验波形如图11所示。 

驱动源电压对开通过程和关断过程持续时间和损耗的分 

根据实验曲线按式(3)~式(7)作近似估算,P 一P 

配有显著影响,可通过降低驱动源电压使总开关损耗减 

85.3 w,P 。一P 16.0 W,P。 0.87 W,P。H 

小。但驱动源电压的大小同时影响MOSFET的导通电 

2.61 w, △3.48 w。实验结果表明:在开通过程的t ~ 

阻,从而影响通态损耗,因此驱动源电压的选取应适当。 

t。阶段和关断过程的t ~ 阶段MOSFET功率损耗很大, 

(4)功率MOSFET器件数据手册所给出的开关过程 

其损耗均为平台阶段(t ~t。,t ~t )的5倍以上,但其对 有关参数如G Cr 栅极电荷Q以及T,,T 等都是 

个开关周期T内平均损耗的贡献还取决于该阶段持续 

在特定的测试电路(如恒流负载、恒流驱动源)和测试条件 

时间。在本文的实验条件下,t ~t ,t ~t。,t ~t ,t ~t 

下取得的,其数值对于功率MOSFET的实际应用的帮助 

各阶段对总平均损耗P 的贡献率分别为:17.6 ,7.3 , 

是有限的,开关过程有关具体参数应根据具体应用场合和 

16.1 和58.8%,可见,缩短t ~t 阶段和t ~t 阶段的 

具体条件进行计算或实验得到。 

持续时间对于降低开关损耗具有重要意义。实验结果还表 

上述结论对于功率MOSFET的正确运用和设计合理 

明:开通损耗和关断损耗一般是不相等的,在本文的实验 

的MOSFET驱动电路具有指导意义。 

条件下,关断损耗占总平均损耗P 的约3/4,可通过优化 

(下转第151页) 

1 48 

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《现代电子技术)2008年第5期总第268期 电子技术应 

图2(d)为仅对分解后低频分量进行重构,重构信号的 

参考文献 

能量成分per一0.620 1,与原信号的标准差err一 

[1]飞思科技产品研发中心.小波分析理论与Matlab 7实现 

20.013 1,噪声几乎被过滤,重构误差接近零,信噪比为 

EM].北京:电子工业出版社,2005. 

SNR一22.815 6 dB,信噪比提高了约17 dB;图2(e)对分 

E2-1周伟.Matlab小波分析高级技术EM].西安:西安电子科技 

解后高频分量进行重构,重构信号的能量成分per一 

大学出版社,2006. 

0.191 4;图2(f)仅对低频分量重构信号的傅里叶变换和 

E3]葛哲学.Matlab时频分析技术及其应用EM].北京:人民邮 

双谱估计,能量为48.988 5。 

电出版社,2006. 

E43飞思科技产品研发中心.Matlab 7辅助信号处理技术与应 

5结 语 

用EM].北京:电子工业出版社,2005. 

E53邱天爽.统计信号处理一非高斯信号处理及其应用EM].北 

介绍基于小波包和双谱对加性高斯噪声信号进行处 

京;电子工业出版社,2004. 

理与分析的方法,小波包分析属于线性时频分析法,能有 

E63李一兵.双谱估计在导头信号检测与处理中的应用EJ].信 

效地提取有用信息且信噪比大大提高;双谱不但可以抑制 

息技术,2003,27(9):1 009—2 552. 

高斯噪声,而且能得到信号幅度、相位、能量、非线性等丰 

E7]李萌.小波减噪与双谱分析在轴承故障诊断中的应用[J]. 

富的信息。通过仿真表明把两种分析方法结合起来,能够 

长春大学学报,2005,15(2):1 009—3 907. 

多方面地提取信号的特征信息,具有一定的实际应用 

E8-1刘毅.基于高阶累计量的参数化双谱分析的肺音特征提取 

价值。 

EJ].山东大学学报:工学版,2005,35(2):1 672—3 961. 

作者简介 孙万麟 女,1982年出生,甘肃靖远人,新疆大学信息学院电子系研究生。主要研究方向为信号处理。 

....., -¨ ..... .....^.. ’、 、 ....,、. ....,‘~.. 、 、.,、,’~、,、,、、 、 ’~..,....,、,‘~.. 、. 、. 、、,、.,....,、,、 ‘~..^. 、、,、.,、.,、、,、,、,、 ・、一.・ ,、、,、,、.,、、 、、 、,、.^..,-_..,、.^ 、 

(上接第148页) 

Elec.Dev.,1989:36(7):1 381—1 386. 

参考文献 

E4]Abhijit D.Pathak.MOSFET/IGBT Drivers Theory and Ap— 

[1]王兆安,张明勋.电力电子设备设计和应用手册EM].2版. 

plications.Application Note,AN0002,IXYS Corparation 

北京:机械工业出版社,2002. 

EEB/OL]. 

E2-1 Power Semiconductor Applications EEB/OL].Philips Semi— 

E5-1侯铁年,马怀俭.功率一MOSFET开关特性与参数的测试电 

conductors. 

路及方法EJ].电测与仪表,2002,39(4):27—30. 

E3-1 Saki T,Murakami N.A New VDMOSFET Structure With 

E6]沈耀忠,任志纯.TM0s功率场效应晶体管原理及应用 

Reduced Reverse Transfer Capacitance[J].IEEE Trans. 

EM].北京:电子工业出版社,1995. 

作者简介 方 波 男,1973年出生,讲师,工学硕士,中国高校电子教育学会会员。研究方向为高频开关电源技术。 

张元敏 男,1963年出生,副教授,许昌学院电气信息工程学院院长,中国高等学校电子教育学会常务理事。研究方 

向为电子技术与电源技术应用。 

MCU:高端产品堪长快汔车节簇是热点 

MCU产品的应用的领域十分广阔,从通信基础设 非常适合于传统的电机设计应用和便携式应用;16位、 

施、手机、大型家电、消费电子、汽车电子到工业控制等 

32位的中高端产品则主要面向控制、通信及网络等应 

领域,到处都能看到MCU的身影。受整体半导体产业 

用,而一些新兴的应用领域,如创新的显示和投影设 

的影响,2007年MCU市场表现欠佳,但中国MCU市场 

备、低成本GPS以及高度优化的电机控制等,需要只有 

继续保持了较高的增长速度,据赛迪顾问统计,2007年 

32位MCU才能提供的高处理能力和高数据吞吐量。 

中国MCU市场同比增长接近2O ,市场规模超过25亿 随着技术的不断创新,8位MCU的新产品在低功耗、 

美元,而且未来几年仍将持续保持快速增长的态势。 

额外性能以及更小尺寸等方面不断突破,帮助其不断 

在MCU产品领域一直存在着“数位之争”的说法, 

开拓新的应用,更多的新兴领域呼之欲出,比如智能消 

即8位、16位和32位MCU产品哪个更受市场青睐。 

费类产品、健康医疗保健产品、安全监护系统、能源控 

事实上,这三种产品市场虽然有交叉重叠,但也具有各 

制系统以及汽车电子应用等,由此带出新的发展空间。 

自的发展空间。低端的8位MCU价格低廉,体积小, 

(摘自《中国电子报》) 

151 


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