“攻城狮”眼中的MOSFET

长园维安MOSFET封装

01

　　MOSFET正面观察，从左至右依次是栅极Gate， 漏极Drain和源极Source。在高频开关应用中，MOSFET内部的绑定线等效为电感，框架的引脚同样也是电感。Gate、Drain、Source间存在寄生的结电容，并且结电容是变化的。栅极寄生着栅电阻R_GINT。

框架和绑定线

高频等效电路 

02

　　由上图的公式可得，电容C与面积A是正比关系，与距离d是反比关系。

　　目前市场主流MOSFET生产工艺主要有平面（Planar）MOSFET和SJ-MOSFET超级结MOSFET。二者电容有哪些差异呢？

　　同等规格Planar MOS由于芯片面积较大，寄生电容C也较大。MOSFET是开关型器件，在关断过程中，漏源极电压V_DS从0-V_DSmax变化，电容也是动态变化，尤其是在V_DS0-100V电压段。Planar MOS寄生电容C较大，开关速度较慢；SJ-MOSFET/Cool MOS结电容相对较小，开关速度快。二者的开关速度相比，就如同慢速绿皮火车和时速300-350Km/h的高铁动车组相比。

03

　　总有效源极电感包括封装绑定线电感和外部走线电感。在栅漏电路中，源极电感虽不影响谐振频率，却是触发栅极振荡的关键因素。

　　由以下两组对比图可知，TO-220F引脚电感是SOT-223-2L的3倍多。

　　因此，将MOSFET固定安装到印制电路板PCB时，尽量减小引脚高度或者使用贴片器件，短引脚意味着较小的寄生电感，小的寄生电感可减小电路振荡并提高产品可靠性。

TO-220 寄生电感示意图

TO-220寄生电感测试

SOT-223-2L 源极电感

SOT-223-2L源极电感测试

　　另外，寄生电感限制开关速度，并且会导致栅极驱动震荡。而高di/dt（单位时间电流变化量）会引起感应电压减缓MOSFET开关速度，同时引发高频振荡。

　　针对上述情况进行优化设计，如下图。

较好的PCB设计

　　图中C_H1蓝色MOSFET V_GS波形，C_H2青色是MOSFET V_DS波形，C_H3紫色是MOSFET I_DS波形。图中电流变化斜率较高，但是驱动无出现振荡，实现了高效率和低噪声兼顾，为较优方案。

04

　　MOSFET栅极电阻可控制漏极源极开关dv/dt（漏极源极电压变化速率）、di/dt（漏极源极电流变化速率）, 变化曲线可参考下图。

　　在外部驱动电阻Rg int=0Ω时，如果内部集成电阻是8-10Ω，可以限制MOSFET最高的di/dt和dv/dt；如果内部集成电阻是0~1Ω，当外部驱动电阻Rg ext=0, MOSFET dv/dt、di/dt 容易失控，降低器件易用性和可靠性。

6A关断速度-Rg关系

3A关断速度-Rg关系

05

　　功率MOSFET 内部结之间包含寄生NPN双极性型晶体管和体二极管，如图所示。

               

功率MOSFET 模型

               

功率MOSFET 截面

　　此二极管是与生俱来的。在积极使用功率MOSFET 内置二极管的马达驱动（UPS,逆变器等）或开关电源的同步整流用途时，要求此反向恢复时间trr为高速。这些用途或拓扑（LLC，移相全桥），由于在运行时的此trr期间上桥臂/下桥臂短路，导致产生过大的接通损耗。因此，通常的控制电路系统中，设计有在切换上/下器件开关的同时使栅极信号断开的dead time （比 trr长的期间）。　

trr 反向恢复时间波形

 trr 反向恢复时间和反向IDR关系曲线

　　此反向恢复时间trr有随着温度上升而增大的倾向。另外，恢复上图tb部分的di/dt越陡，就越容易产生噪声，因此要求软恢复特性。软度的定义可以用tb/ta计算。