功率MOSFET輸出電容的非線(xiàn)性特性

1、前言

功率MOSFET的數據表中有三個(gè)寄生電容：輸入電容Ciss、輸出轉移電容Crss和輸出電容Coss。其中，Crss為柵極G和漏源D電容，這個(gè)電容也稱(chēng)米勒電容；柵極和源極的電容為CGS，漏極D和源極的電容為CDS，Ciss等于CGS與Crss之和，Coss等于CDS與Crss之和。Ciss、Crss和Coss是功率MOSFET非常重要的三個(gè)動(dòng)態(tài)參數，Ciss和Crss影響著(zhù)開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流交疊的開(kāi)關(guān)損耗，以及開(kāi)關(guān)過(guò)程的dV/dt和di/dt；Coss影響電容關(guān)斷過(guò)程中的dV/dt，以及開(kāi)通損耗。但是，Crss和Coss還有一個(gè)非常重要的特性，就是非線(xiàn)性特性，這個(gè)特性會(huì )影響功率MOSFET的開(kāi)關(guān)性能，比如開(kāi)關(guān)過(guò)程中的柵極震蕩，功率MOSFET并聯(lián)工作的柵極震蕩，還會(huì )影響開(kāi)關(guān)損耗以及橋式電路上下管死區時(shí)間計算的精度。[1-5]本文將分析Crss和Coss的非線(xiàn)性特性。

圖1 AOT10N60的電容特性

2、Coss的非線(xiàn)性特性

Coss和Crss電容非線(xiàn)性特性就是指：當所加的偏置電壓VDS發(fā)生改變的時(shí)候，它們的電容值也會(huì )發(fā)生改變，表現出非線(xiàn)性的特性，如圖1所示。Coss和Crss的具有同樣的特性，因此，下面主要以Coss為例，來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。

當電容二端的電壓增加時(shí)，就會(huì )形成對電容的充電電流，電容二個(gè)電極上的電荷量也會(huì )增加，因此，電容二端電壓的變化是通過(guò)二個(gè)電極上的電荷的變化來(lái)實(shí)現。電容值的大小，和電容二個(gè)電極的面積A成正比，和二個(gè)電極的距離d成反比，和介質(zhì)介電常數e成正比：

功率MOSFET的輸出電容Coss實(shí)際上是漏極D和源極S的PN結的電容，漏極D和源極S加上電壓VDS，PN結的耗盡層加寬，耗盡層、也就是空間電荷區內部的電荷數量增加，形成對PN結的充電電流，因此PN結的這個(gè)特性表現為電容的特性，耗盡層在P區、N區里面的邊界，就相當于電容的二個(gè)電極。

圖2 功率MOSFET結構

功率MOSFET外加電壓VDS，輸出電容Coss的電荷數量的改變，是通過(guò)耗盡層厚度的改變來(lái)實(shí)現。外加電壓VDS增加，耗盡層厚度也相應的增加。在一定的外加偏置電壓下，如果偏置電壓發(fā)生非常小的變化，耗盡層厚度基本可以認為保持不變，耗盡層電荷的變化量與電壓的變化量成正比，那么，在此外加偏置電壓下，輸出電容Coss為：

外加電壓VDS比較小時(shí)，耗盡層厚度也比較小，P區、N區初始的摻雜濃度相對比較高，自由導電的電子和空穴濃度比較高，因此，即使外加電壓VDS發(fā)生很小的變化DV，空間電荷區也會(huì )產(chǎn)生非常大的電荷變化DQ，由公式2可以得到，當偏置電壓VDS比較小時(shí)，輸出電容Coss電容值非常大。

外加電壓VDS增加到一定值，耗盡層厚度也增加到一定值，P區、N區的自由導電的電子和空穴濃度被大量消耗，濃度非常低，相當于低偏置電壓VDS，為了得到同樣的空間電荷區電荷變化值DQ，就需要更大的外加電壓VDS的變化值DV1。由公式2可以得到，同樣DQ ，DV1>DV，當偏置電壓VDS大時(shí)，Coss電容值就會(huì )變小。

同時(shí)，偏置電壓VDS大時(shí)，耗盡層厚度增大，相當于Coss電容的二個(gè)電極的距離增加，因此，會(huì )導致Coss電容值進(jìn)一步的降低。

對于新型超結結構的高壓功率MOSFET，由于采用橫向耗盡電場(chǎng)，導致Coss和Crss的非特性更為嚴重，更容易產(chǎn)生各種應用的問(wèn)題。

圖3 功率MOSFET內部PN結耗盡層

3、結論

（1）功率MOSFET的Coss和Crss會(huì )隨著(zhù)外加電壓VDS的增加而降低，從而表現出非線(xiàn)性的特性，新型超結結構的高壓功率MOSFET非線(xiàn)性特性更為嚴重，更容易產(chǎn)生各種應用的問(wèn)題。

（2）Coss和Crss的大小與二個(gè)極板相對應的面積成正比，與二個(gè)極板的距離成反正。

（3）不同的偏置電壓下耗盡過(guò)程中，載流子濃度變化的非線(xiàn)性是電容具有非線(xiàn)性特性的主要原因。

圖4 不同VDS電壓的PN結耗盡層

參考文獻

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作者介紹：劉松，男，湖北武漢人, 碩士，現任職于萬(wàn)國半導體元件有限公司應用中心總監，主要從事開(kāi)關(guān)電源系統、電力電子系統和模擬電路的應用研究和開(kāi)發(fā)工作。獲廣東省科技進(jìn)步二等獎一項，發(fā)表技術(shù)論文60多篇。

注：本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期