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Crss和Coss的「非线性特性」如何体现?

主要分析了功率MOSFET的输出电容和米勒电容的非线性特性,探讨了影响这二个电容的相关因素。

前言  

01


功率MOSFET的数据表中有三个寄生电容:输入电容Ciss、输出转移电容Crss和输出电容Coss。其中,Crss为栅极G和漏源D电容,这个电容也称米勒电容;栅极和源极的电容为CGS,漏极D和源极的电容为CDS,Ciss等于CGS与Crss之和,Coss等于CDS与Crss之和。Ciss、Crss和Coss是功率MOSFET非常重要的三个动态参数,Ciss和Crss影响着开关过程中电压和电流交叠的开关损耗,以及开关过程的dV/dt和di/dt;Coss影响电容关断过程中的dV/dt,以及开通损耗。但是,Crss和Coss还有一个非常重要的特性,就是非线性特性,这个特性会影响功率MOSFET的开关性能,比如开关过程中的栅极震荡,功率MOSFET并联工作的栅极震荡,还会影响开关损耗以及桥式电路上下管死区时间计算的精度。本文将分析Crss和Coss的非线性特性。


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Coss的非线性特性

02

Coss和Crss电容非线性特性就是指:当所加的偏置电压VDS发生改变的时候,它们的电容值也会发生改变,表现出非线性的特性,如图1所示。Coss和Crss的具有同样的特性,因此,下面主要以Coss为例,来进行说明。

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AOT10N60的电容特性

当电容二端的电压增加时,就会形成对电容的充电电流,电容二个电极上的电荷量也会增加,因此,电容二端电压的变化是通过二个电极上的电荷的变化来实现。电容值的大小,和电容二个电极的面积A成正比,和二个电极的距离d成反比,和介质介电常数e成正比:

功率MOSFET的输出电容Coss实际上是漏极D和源极S的PN结的电容,漏极D和源极S加上电压VDS,PN结的耗尽层加宽,耗尽层、也就是空间电荷区内部的电荷数量增加,形成对PN结的充电电流,因此PN结的这个特性表现为电容的特性,耗尽层在P区、N区里面的边界,就相当于电容的二个电极。

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功率MOSFET结构

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功率MOSFET内部PN结耗尽层

功率MOSFET外加电压VDS,输出电容Coss的电荷数量的改变,是通过耗尽层厚度的改变来实现。外加电压VDS增加,耗尽层厚度也相应的增加。在一定的外加偏置电压下,如果偏置电压发生非常小的变化,耗尽层厚度基本可以认为保持不变,耗尽层电荷的变化量与电压的变化量成正比,那么,在此外加偏置电压下,输出电容Coss为:

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外加电压VDS比较小时,耗尽层厚度也比较小,P区、N区初始的掺杂浓度相对比较高,自由导电的电子和空穴浓度比较高,因此,即使外加电压VDS发生很小的变化DV,空间电荷区也会产生非常大的电荷变化DQ,由公式2可以得到,当偏置电压VDS比较小时,输出电容Coss电容值非常大。

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不同VDS电压的PN结耗尽层

外加电压VDS增加到一定值,耗尽层厚度也增加到一定值,P区、N区的自由导电的电子和空穴浓度被大量消耗,浓度非常低,相当于低偏置电压VDS,为了得到同样的空间电荷区电荷变化值DQ,就需要更大的外加电压VDS的变化值DV1。由公式2可以得到,同样DQ ,DV1>DV,当偏置电压VDS大时,Coss电容值就会变小。

同时,偏置电压VDS大时,耗尽层厚度增大,相当于Coss电容的二个电极的距离增加,因此,会导致Coss电容值进一步的降低。

对于新型超结结构的高压功率MOSFET,由于采用横向耗尽电场,导致Coss和Crss的非特性更为严重,更容易产生各种应用的问题。


  结论  

03

  • 功率MOSFET的Coss和Crss会随着外加电压VDS的增加而降低,从而表现出非线性的特性,新型超结结构的高压功率MOSFET非线性特性更为严重,更容易产生各种应用的问题。

  • Coss和Crss的大小与二个极板相对应的面积成正比,与二个极板的距离成反正。








THE END
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