如何避免功率MOSFET發生寄生導通?

功率MOSFET的寄生導通

實際上，功率MOSFET發生寄生導通（不希望發生的事件）的機率比我們的預計更高，造成的損失也更大。寄生導通通常會損壞MOSFET，且之后很難查出故障的根源。寄生導通機制取決于漏源和柵源電壓間的電容分壓比例 。

圖1是一個基本的半橋配置，該半橋是H橋或三相橋的一部分。如果半橋上管的MOSFET導通了，為了避免直通和因過流而可能出現的MOSFET故障，必須關斷半橋下管的一個MOSFET。

圖1   MOSFET半橋及其感性負載

此時，可通過下列公式（1）計算出柵極和源極間的電壓：

因此，即便驅動電路試圖關斷半橋下管的MOSFET，即驅動電路將柵極和源極間的電壓置為0(UGS=0V)，但由于漏源電壓發生變化，且分壓線路包含米勒電容(CGD)和柵源電容，所以MOSFET仍然有導通的風險。電容分壓器是最快的分壓器，對漏源之間出現的所有瞬態電壓反應極快，并對其中的高頻瞬態電壓（即du/dt高的UDS ）反應尤其快。在柵極和源極之間安裝一個電阻在一定程度上可以防范寄生導通，但作用很小且對高du/dt值無作用。

下面的例子闡述了這些電壓到底有多高，多快：

圖2是具有寄生元件的逆變器橋臂的半橋配置。電路布局，幾何約束或MOSFET連接線所造成的寄生電感，電阻和電容是無法避免的。另一方面，逆變器所在的電路具有最高的di/dt值（典型值約為1A/ns），而電機的相電流和電源線里的電流變化相對平穩。

圖2 具有寄生電感（綠色部分）的逆變器半橋基本設計圖

MOSFET里的二極管恢復脈沖常常在半橋里產生最高的di/dt。寄生電感和高di/dt感應同時出現或多或少會產生高感應電壓尖峰，并在半橋里產生大量地高頻噪聲。根據寄生電感的尺寸，在12V應用中會出現過壓和欠壓尖峰，范圍是1－2V和幾十伏。除了產生高頻噪聲，這些電壓尖峰還會危害MOSFET，橋式驅動器和其它的ECU元件。此外，它們還會使功率MOSFET意外導通。

為避免寄生導通，如何選取MOSFET

再看公式（1）：

為了防止寄生導通，UGS/UDS比必須盡量小，UDS/UGS 比必須盡量大，CGS/CGD比也必須盡量大。因此，建議：為了對寄生導通反應低敏，CGS/CGD 比必須盡量大，大于15（或者最小大于10）。

下面的例子說明了如何從數據手冊摘錄所需的值（本例中的器件為用于電機驅動的 IPB80N04S3-03, OptiMOS-T 40V功率MOSFET）:

由于：

可以計算出：CGD_typ=240pF 且CGS_typ=5360pF。CGS/CGD 比是22.3，這個值完全可以防止寄生導通。

圖3  數據手冊中的電容值

為了獲知這些電容值和電源電壓大小之間的關系，數據手冊還提供了柵漏電容和柵源電容與漏源電壓之間的關系，圖4是它們之間關系的曲線圖。

圖5比較了MOSFET在不同的大電流應用中（如安全關鍵電子助力轉向，或電子液壓助力轉向，或發電機）的Cgs/Cgd比。可以看出使用IPB160N04S3-H2后，不會發生寄生導通了，而使用其它兩個MOSFET，仍然可能發生寄生導通。

圖4    柵漏電容和柵源電容與漏源電壓的典型關系

圖5 MOSFET在不同的大電流應用中CGS/CGD 的比較