功率MOSFET輸出電容的非線性特性

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1、前言

功率MOSFET的數據表中有三個寄生電容：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，這個電容也稱米勒電容；柵極和源極的電容為CGS，漏極D和源極的電容為CDS，Ciss等於CGS與Crss之和，Coss等於CDS與Crss之和。Ciss、Crss和Coss是功率MOSFET非常重要的三個動態參數，Ciss和Crss影響著開關過程中電壓和電流交疊的開關損耗，以及開關過程的dV/dt和di/dt；Coss影響電容關斷過程中的dV/dt，以及開通損耗。但是，Crss和Coss還有一個非常重要的特性，就是非線性特性，這個特性會影響功率MOSFET的開關性能，比如開關過程中的柵極震蕩，功率MOSFET並聯工作的柵極震蕩，還會影響開關損耗以及橋式電路上下管死區時間計算的精度。[1-5]本文將分析Crss和Coss的非線性特性。

圖1 AOT10N60的電容特性

2、Coss的非線性特性

Coss和Crss電容非線性特性就是指：當所加的偏置電壓VDS發生改變的時候，它們的電容值也會發生改變，表現出非線性的特性，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，來進行說明。

當電容二端的電壓增加時，就會形成對電容的充電電流，電容二個電極上的電荷量也會增加，因此，電容二端電壓的變化是通過二個電極上的電荷的變化來實現。電容值的大小，和電容二個電極的面積A成正比，和二個電極的距離d成反比，和介質介電常數e成正比：

功率MOSFET的輸出電容Coss實際上是漏極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結的這個特性表現為電容的特性，耗盡層在P區、N區裡面的邊界，就相當於電容的二個電極。

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，是通過耗盡層厚度的改變來實現。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，那麼，在此外加偏置電壓下，輸出電容Coss為：

外加電壓VDS比較小時，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發生很小的變化DV，空間電荷區也會產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，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，相當於低偏置電壓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，Coss電容值就會變小。

同時，偏置電壓VDS大時，耗盡層厚度增大，相當於Coss電容的二個電極的距離增加，因此，會導致Coss電容值進一步的降低。

對於新型超結結構的高壓功率MOSFET，由於採用橫向耗盡電場，導致Coss和Crss的非特性更為嚴重，更容易產生各種應用的問題。

圖3 功率MOSFET內部PN結耗盡層

3、結論

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

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

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

圖4 不同VDS電壓的PN結耗盡層

參考文獻

[1] 劉松. 理解功率MOSFET的開關損耗,今日電子:2009.10:52-55

[2] 劉松.超結型高壓功率MOSFET結構工作原理,今日電子, 2013, 11(243):30-31

[3] 劉松. 功率MOSFET應用問題分析提高篇. 今日電子, 2015, 2(258): 30-33

[4] 劉松. 功率MOSFET應用問題分析基礎篇. 今日電子, 2014, 12(256): 43-46

[5] 劉松. 理解MOSFET時間相關及能量相關輸出電容Coss(tr)和Coss(er) ,電子產品世界, 2019.4

作者介紹：劉松，男，湖北武漢人, 碩士，現任職於萬國半導體元件有限公司應用中心總監，主要從事開關電源系統、電力電子系統和模擬電路的應用研究和開發工作。獲廣東省科技進步二等獎一項，發表技術論文60多篇。

註：本文來源於《電子產品世界》雜誌2020年10月期