MOS管電路加反向電壓會(huì)導(dǎo)通的原因

前言

和我們?cè)?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/1180/" target="_blank">模電課本上見(jiàn)到的MOS管不同，我們?cè)贛OS管廠家提供的datasheet中看到的功率MOSFET的原理圖符號(hào)都會(huì)包括一個(gè)寄生器件——體二極管。體二極管是MOS管器件結(jié)構(gòu)固有的。盡管隨著這么多年的發(fā)展，功率 MOSFET的結(jié)構(gòu)和器件設(shè)計(jì)發(fā)生了許多根本性變化，但體二極管卻仍然存在。

MOSFET 原理圖，配有體二極管

體二極管作為原理圖符號(hào)直接存在于MOS管原理圖結(jié)構(gòu)中確實(shí)是一種奇怪的現(xiàn)象。比如說(shuō)，MOSFET也有三個(gè)寄生電容，比如GS,GD,DS之間的等效寄生電容，盡管它們也會(huì)影響MOS管開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)性能，在某些電路條件下可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)故障，但是MOS管原理圖結(jié)構(gòu)中卻沒(méi)有體現(xiàn)。這足以說(shuō)明了體二極管的存在成為了整體 MOSFET 器件一部分。

實(shí)例分析

功率 MOSFET 應(yīng)用一般涉及驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載器件，無(wú)論是半橋還是全橋配置。比如說(shuō)降壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)渚褪且粋€(gè)典型的例子。高端 FET 的工作占空比D大約等于Vout/Vin。

當(dāng)Q1開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感電流在給定的時(shí)鐘周期內(nèi)斜升至峰值。控制器將在Q1關(guān)閉和Q2開(kāi)啟之間施加一定量的死區(qū)時(shí)間，以防止二者直接導(dǎo)通。盡管如此，電感器由于其儲(chǔ)能續(xù)流特性，仍會(huì)嘗試保持其電流，將開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（Q1,Q2公共點(diǎn)）拉至負(fù)壓，直到Q2的體二極管導(dǎo)通。即使在Q2開(kāi)關(guān)打開(kāi)后，體二極管在trr期間也不會(huì)關(guān)閉，trr二極管的反向恢復(fù)時(shí)間，在此期間內(nèi)PN 器件內(nèi)的電荷需要重新組合，才能實(shí)現(xiàn)反向關(guān)閉。

典型的降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

在這種情況下，MOSFET損耗模型中的兩個(gè)部分與體二極管相關(guān)。第一個(gè)是二極管導(dǎo)通間隔期間的I L?V D項(xiàng)（也就是體二極管的損耗）。這明顯大于開(kāi)關(guān)的 I2 ?Rds(on)損耗，所以在設(shè)計(jì)降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)要最小化開(kāi)關(guān)死區(qū)時(shí)間。第二個(gè)是復(fù)合電流，它增加了流經(jīng)開(kāi)關(guān) Rds(on)的電感電流。這導(dǎo)致I2R 損耗略高，并且相應(yīng)的開(kāi)關(guān)的工作溫度更高。由于Rds(on) 表現(xiàn)出正的 TCR（電阻溫度系數(shù)），器件耗散進(jìn)一步上升，導(dǎo)致器件整體溫升偏高。

降壓轉(zhuǎn)換器波形

解決方案

那么如何從根本上消除體二極管對(duì)開(kāi)關(guān)管工作的影響呢？我們可以與體二極管并聯(lián)一個(gè)肖特基二極管，這是因?yàn)樾ぬ鼗O管的正向?qū)ū容^低，可以防止體 PN 結(jié)正向偏置。肖特基二極管是多數(shù)載流子器件，反向恢復(fù)時(shí)間也更快。需要注意的是要確保使用短而寬的走線連接肖特基和 MOSFET，因?yàn)榧词购苄〉碾s散電感也會(huì)降低肖特基二極管的效率。

審核編輯：湯梓紅