功率MOSFET的栅极模型

      通常从外部来看，MOSFET是一个独立的器件，事实上，在其内部，由许多个单元(小的MOSFET)并联组成,图1(a)为AOT460内部显微结构图，其内部的栅极等效模型如图1(b)所示。MOSFET的结构确定了其栅极电路为RC网络。

图1：AOT460显微结构图及栅极等效模型。

　　在MOSFET关断过程中，MOSFET的栅极电压VGS下降，从其等效模型可以得出，在晶元边缘的单元首先达到栅极关断电压VTH而先关断,中间的单元由于RC网络的延迟作用而滞后达到栅极关断电压VTH而后关断。

图2：MOSFET关断时的电流分布。

     如果MOSFET所加的负载为感性负载，由于电感电流不能突变，导致流过MOSFET的电流向晶元的中间流动，如图2所示。这样就会造成MOSFET局部单元过热而导致MOSFET局部单元损坏。如果加快MOSFET的关断速度，以尽量让MOSFET快速关断，不让能量产生集聚点，这样就不会因局部单元过热而损坏MOSFET。注意到：MOSFET的关断过程是一个由稳态向非稳态过渡的过程，与此相反，MOSFET在开通时，由于负载的电流是随着单元的逐渐开通而不断增加的，因此是一个向稳态过渡的过程，不会出现关断时产生的能量集聚点。

      因此，MOSFET在关断时应提供足够的放电电流让其快速关断，这样做不仅是为了提高开关速度而降低开关损耗，同时也是为了让非稳态过程尽量短，不至产生局部过热点。

功率MOSFET热不稳定性

图3：MOSFET的转移特性。

　　图3为MOSFET处于饱和区时漏极电流ID与栅极电压VGS的关系曲线即转移特性，用公式可表示为：

其中，，对于特定的MOSFET，K为常数。因此，MOSFET处于饱和状态时ID与VGS是平方的关系。

　　由图3可知，当MOSFET处于饱和区并且IDID0时，ID随温度的变化是负温度系数。因为MOSFET是由很多的小的单元组成，当ID

应用实例

　　图4是电动车控制器的两种驱动MOSFET管AOT460驱动电路，分立器件驱动时，PWM在上桥臂，直接用MC33035驱动时，PWM在下桥臂。

图4：AOT460驱动电路。

　　图4(a)当MOSFET管AOT460关断时，栅极通过Q5直接放电。图4(b)驱动电路中，当MOSFET管AOT460关断时，栅极电流通过电阻R6和MC33035的下驱动对地放电。由于MOSFET管AOT460在关断时电流迅速减小，会在PCB和电流检测电阻的寄生电感上产生感应电势，感应电势的大小为Ldi/dt，方向如图红线所示。这样会使MOSFET管AOT460的源极和MC33035驱动的参考电位发生相对变化，这种变化降低了MC33035相对于MOSFET管AOT460源极的驱动电压，从而降低了驱动能力，使关断速度变慢。

      两种电路的关断波形如图5所示。在图5(b)中，当VGS低于米勒平台之后，电阻R6两端的电压，即图5(b)中CH1和CH3的电位差变小，由于反电势的影响，驱动线路已经几乎不能通过电阻R6给栅极提供放电电流，导致MOSFET的关断变慢。(注：测试波形时探头的地线均夹在MOSFET的源极)

图5：AOT460驱动波形。

图6：AOT460快速和慢速开关热成像图。

　　图6为AOT460在同一应用中快速开关和慢速开关情况下的热成像照片。可以看出，在慢速开关情况下MOSFET的局部温度要高于快速开关情况下的温度，过慢的开关速度会导致MOSFET因局部温度过高而提前失效。

本文小结

　　①过慢的开关速度增加MOSFET的开关损耗，同时由于栅极RC网络延迟和MOSFET本身的热不稳定性产生局部过热，使MOSFET提前失效。

　　②过快的开通速度产生较大开通的浪涌电流以及开关振铃及电压尖峰。

　　③设计驱动线路和ＰＣＢ布线时，减小主回路ＰＣＢ和电流检测电阻的寄生电感对开关波形的影响，布线时应使大电流环路尽量小并且使用较宽的走线。