功率 MOSFET 动态性能限制及其改进

2017-06-04 75 0

在应用器件时,除考虑电压、电流、频率外,还必须掌握如何保护器件不使其在瞬态变化中受损。晶闸管是两个双极型晶体管的组合,又加上大面积带来的大电容,其承受 du/dt 能力较脆弱;对 di/dt 还存在导通区扩展问题,因此有相当严格的限制。

功率 MOSFET 的情况有很大不同,其 du/dt 及 di/dt 的能力常以每纳秒(而非每微秒)来估量;但即便如此,它也存在动态性能的限制,可从功率 MOSFET 的基本结构来理解。图1-4 是功率 MOSFET 的等效电路。应用中除考虑各部分电容外,还必须考虑 MOSFET 还并联着一个二极管;同时从某角度看还存在一个寄生晶体管(就像 IGBT 寄生着一个晶闸管一样)。这几方面是研究 MOSFET 动态特性的重要因素。

图1-4 功率 MOSFET 的等效电路

首先,MOSFET 结构中所附带的本征二极管具有一定雪崩能力,通常以单次雪崩能力与重复雪崩能力表达。当反向 di/dt 很大时,二极管会承受速度很快的脉冲尖刺、可能进入雪崩区,一旦超越雪崩能力就可能损坏器件。作为 PN 结二极管,其动态特性较复杂,与“正向导通反向阻断”的简单概念很不相同:电流迅速下降时二极管有一阶段失去反向阻断能力(即反向恢复时间);PN 结要求迅速导通时也有一段时间不显示低电阻。在功率 MOSFET 中,一旦二极管正向注入,所注入的少数载流子也会增加作为多子器件 MOSFET 的复杂性。

功率 MOSFET 设计过程中采取措施使寄生晶体管尽量不起作用,不同代功率 MOSFET 措施各有不同,但总原则是使漏极下横向电阻 RB 尽量小。因为只有在漏极 N 区下横向电阻流过足够电流、为该 N 区建立正偏条件时,寄生双极性晶闸管才开始发作;在严峻动态条件下,因 du/dt 通过相应电容引起的横向电流可能足够大,此时寄生双极性晶体管就会启动、可能给 MOSFET 带来损坏。所以考虑瞬态性能时对器件内部各个电容(它是 du/dt 的通道)都必须注意。

瞬态情况与线路情况密切相关,应用时应给予足够重视。只有对器件深入了解,才能有利于理解与分析相关问题。

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