02-02-Part-2-动态特性

Bo Zhang 2023-09-20 00:00:00
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在 pin 二极管的动态特性中曾说过：

动态特性的本质是 n- 区载流子形成和排出的过程

这对于 MOSFET 来说也同样适用。特别地，从沟道的角度考虑，动态特性的本质也可以理解为沟道形成和关闭的过程。

动态过程可以分为：

1. 双脉冲测试

为了测试 MOSFET 的动态特性，需要搭建特定的试验台。

在电力电子应用中，功率半导体器件常作为 逆变器（Inverter） 的开关使用，而 电机（Motor） 经常简化为 感性负载（Load Inductance）。为此需要搭建一个 单相全桥（Single Phase Full-Bridge） 电路，如图 1-1 所示：

图 1-1：双脉冲测试示意图

假设 S4 为 被测器件（Device under Test，简称 DUT），S2 和 S3 常关（Latching），S1 常开（Conducting）。每个开关都反向并联一个二极管，用 D 表示。现在给 S4 两个脉冲，那么有：

在 pin 二极管的动态特性章节中我们说过， pin 二极管：

  • 开启时存在 Forward Recovery，即
  • 关断时存在 Reverse Recovery，即

通过基尔霍夫电压和电流定律可以得出：

显然，第一次关断时 MOSFET 同时承受大电流和大电压，是我们需要格外关注的，因此接下来我们只分析 MOSFET 关断，其开通过程可以类比推出。

2. 关断过程的等效模型

在正式分析关断过程之前，需要对关断过程建模。

图 2-1：MOSFET 结构中的等效电容

如图 2-1 所示，MOSFET 的三个端口两两组合就形成了三个等效的平行板电容：

在数据手册中，通常给出以下三个电容：

简而言之，MOSFET 的关断过程可以解释如下：

MOSFET 由导通到关断 → 沟道的长度和厚度逐渐减小 → 由高到低 → 逐渐放电

但实际上除了 还要额外考虑米勒电容带来的影响。

在半导体物理中提到过位电移的概念。对于平行电容板来说，随着电荷在电极板上聚集的越来越多，这些电荷会影响导体端和介质端边界的磁场。而电场是和磁场相互影响的。因此，变化的介质磁场引发介质内电场的改变。无数离散的变化电场可以等效为一段连续的电流，这就是位移电流。

如图 2-1 所示， 由 和 串联形成。MOSFET 在关断的过程中，D 和 G 之间的电势差不断增大，那么 就会产生位移电流 。根据基尔霍夫电流定律可得，从 G 流出，最终流入栅极驱动器的电流 是 和 放电产生的电流 的总和。

MOSFET 整个关断可以等效为图 2-2：

图 2-2：MOSFET 关断过程模型

需要注意的是，在图 2-2 中 的值并非固定的。这是因为随着 的升高，n- 区内的电子被抽出，那么空间电荷区的长度就会不断增大，而电容板的电容和距离成反比，因此 会不断减小。

Eckel 教授的这篇论文

Effect of the miller-capacitance during switching transients of IGBT and MOSFET

给出了位移电流和米勒电容的关系：

总结一下，MOSFET 在关断过程中， 和 不断减小。因此从电容充放电的角度看，关断过程的本质就是 和 不断放电的过程。

3. 关断波形

图 3-1 展示了 MOSFET 关断的波形示意图。从图中可以看出，其关断过程分为四个阶段。在静态特性中我们已经知道，MOSFET 的输出端 和 都是随着输入端 的变化而改变的。接下来就逐个分析每个阶段。

图 3-1：MOSFET 关断波形示意图

图 3-2：MOSFET 关断各阶段载流子变化示意图

3.1 阶段 I

MOSFET 处于导通状态，工作点（Operating Point） 位于输出特性曲线的线性区：

3.2 阶段 II

MOSFET 开始关断，工作点从线性区转移到近似饱和区：

3.3 阶段 III

MOSFET 工作于退饱和区：

3.4 阶段 IV

MOSFET 从退饱和区进入截止区：

02-02-Part-1-静态特性