基于內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化MOSFET的驅(qū)動性能

功率MOSFET具有開關(guān)速度快，導(dǎo)通電阻小等優(yōu)點，因此在開關(guān)電源，馬達控制等電子系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣。通常在實際的設(shè)計過程中，電子工程師對其的驅(qū)動電路以及驅(qū)動電路的參數(shù)調(diào)整并不是十分關(guān)注，尤其是從來沒有基于MOSFET內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)去考慮驅(qū)動電路的設(shè)計，導(dǎo)致在實際的應(yīng)用中，MOSFET產(chǎn)生一定的失效率。本文將討論這些細節(jié)的問題，從而優(yōu)化MOSFET的驅(qū)動性能，提高整個系統(tǒng)的可靠性。

功率MOSFET的柵極模型

通常從外部來看，MOSFET是一個獨立的器件，事實上，在其內(nèi)部，由許多個單元（小的MOSFET）并聯(lián)組成，圖1（a）為AOT460內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)圖，其內(nèi)部的柵極等效模型如圖1（b）所示。MOSFET的結(jié)構(gòu)確定了其柵極電路為RC網(wǎng)絡(luò)。

圖1：AOT460顯微結(jié)構(gòu)圖及柵極等效模型。

在MOSFET關(guān)斷過程中，MOSFET的柵極電壓VGS下降，從其等效模型可以得出，在晶元邊緣的單元首先達到柵極關(guān)斷電壓VTH而先關(guān)斷，中間的單元由于RC網(wǎng)絡(luò)的延遲作用而滯后達到柵極關(guān)斷電壓VTH而后關(guān)斷。

圖2：MOSFET關(guān)斷時的電流分布。

如果MOSFET所加的負載為感性負載，由于電感電流不能突變，導(dǎo)致流過MOSFET的電流向晶元的中間流動，如圖2所示。這樣就會造成MOSFET局部單元過熱而導(dǎo)致MOSFET局部單元損壞。如果加快MOSFET的關(guān)斷速度，以盡量讓MOSFET快速關(guān)斷，不讓能量產(chǎn)生集聚點，這樣就不會因局部單元過熱而損壞MOSFET。注意到：MOSFET的關(guān)斷過程是一個由穩(wěn)態(tài)向非穩(wěn)態(tài)過渡的過程，與此相反，MOSFET在開通時，由于負載的電流是隨著單元的逐漸開通而不斷增加的，因此是一個向穩(wěn)態(tài)過渡的過程，不會出現(xiàn)關(guān)斷時產(chǎn)生的能量集聚點。

因此，MOSFET在關(guān)斷時應(yīng)提供足夠的放電電流讓其快速關(guān)斷，這樣做不僅是為了提高開關(guān)速度而降低開關(guān)損耗，同時也是為了讓非穩(wěn)態(tài)過程盡量短，不至產(chǎn)生局部過熱點。

功率MOSFET熱不穩(wěn)定性

圖3：MOSFET的轉(zhuǎn)移特性。

圖3為MOSFET處于飽和區(qū)時漏極電流ID與柵極電壓VGS的關(guān)系曲線即轉(zhuǎn)移特性，用公式可表示為：

其中，

，對于特定的MOSFET，K為常數(shù)。因此，MOSFET處于飽和狀態(tài)時ID與VGS是平方的關(guān)系。

由圖3可知，當(dāng)MOSFET處于飽和區(qū)并且IDID0時，ID隨溫度的變化是負溫度系數(shù)。因為MOSFET是由很多的小的單元組成，當(dāng)ID

應(yīng)用實例

圖4是電動車控制器的兩種驅(qū)動MOSFET管AOT460驅(qū)動電路，分立器件驅(qū)動時，PWM在上橋臂，直接用MC33035驅(qū)動時，PWM在下橋臂。

圖4：AOT460驅(qū)動電路。

圖4（a）當(dāng)MOSFET管AOT460關(guān)斷時，柵極通過Q5直接放電。圖4（b）驅(qū)動電路中，當(dāng)MOSFET管AOT460關(guān)斷時，柵極電流通過電阻R6和MC33035的下驅(qū)動對地放電。由于MOSFET管AOT460在關(guān)斷時電流迅速減小，會在PCB和電流檢測電阻的寄生電感上產(chǎn)生感應(yīng)電勢，感應(yīng)電勢的大小為Ldi/dt，方向如圖紅線所示。這樣會使MOSFET管AOT460的源極和MC33035驅(qū)動的參考電位發(fā)生相對變化，這種變化降低了MC33035相對于MOSFET管AOT460源極的驅(qū)動電壓，從而降低了驅(qū)動能力，使關(guān)斷速度變慢。

兩種電路的關(guān)斷波形如圖5所示。在圖5（b）中，當(dāng)VGS低于米勒平臺之后，電阻R6兩端的電壓，即圖5（b）中CH1和CH3的電位差變小，由于反電勢的影響，驅(qū)動線路已經(jīng)幾乎不能通過電阻R6給柵極提供放電電流，導(dǎo)致MOSFET的關(guān)斷變慢。（注：測試波形時探頭的地線均夾在MOSFET的源極）

圖5：AOT460驅(qū)動波形。

圖6：AOT460快速和慢速開關(guān)熱成像圖。

圖6為AOT460在同一應(yīng)用中快速開關(guān)和慢速開關(guān)情況下的熱成像照片?？梢钥闯觯诼匍_關(guān)情況下MOSFET的局部溫度要高于快速開關(guān)情況下的溫度，過慢的開關(guān)速度會導(dǎo)致MOSFET因局部溫度過高而提前失效。

本文小結(jié)

①過慢的開關(guān)速度增加MOSFET的開關(guān)損耗，同時由于柵極RC網(wǎng)絡(luò)延遲和MOSFET本身的熱不穩(wěn)定性產(chǎn)生局部過熱，使MOSFET提前失效。

②過快的開通速度產(chǎn)生較大開通的浪涌電流以及開關(guān)振鈴及電壓尖峰。

③設(shè)計驅(qū)動線路和ＰＣＢ布線時，減小主回路ＰＣＢ和電流檢測電阻的寄生電感對開關(guān)波形的影響，布線時應(yīng)使大電流環(huán)路盡量小并且使用較寬的走線。

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