MOSFET开关中电压尖峰的形成原因、后果及解决方案

引言

MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。

功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR， 但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

对于MOSFET，米勒效应（Miller Effect）指其输入输出之间的分布电容（栅漏电容）在反相放大作用下，使得等效输入电容值放大的效应。由于米勒效应，MOSFET栅极驱动过程中，会形成平台电压，引起开关时间变长，开关损耗增加，给MOS管的正常工作带来非常不利的影响。

本文详细分析了MOS管开通关断过程，以及米勒平台的形成。然后结合实际应用电路中说明了MOSFET开关中电压尖峰的形成原因和可能带来的后果，并给出了相应的解决方案。

MOSFET结构及寄生电容的分布

MOSFET结构

图1. 垂直型MOSFET结构

图1是垂直型MOSFET的结构，它是一个由P区域和 N+的源区组成的双扩散结构。漏极（drain）和源极（source）分别放在晶圆的两面，这样的结构适合制造大功率器件。因为可以通过增加外延层（epitaxial layer）的长度，来增加漏源极之间的电流等级，提高器件的击穿电压能力。另外从图中，还可以清晰看出MOSFET的寄生体二极管。

寄生电容

图2. MOSFET的寄生电容及等效电路

MOSFET的寄生电容主要包括栅源电容（Cgs）、栅漏电容（Cgd）以及漏源电容（Cds）。从图2中左图看到，Cds是由漏极和源极之间的结电容形成，Cgd栅极和漏极间的耦合电容。Cgs则较为复杂，由栅极和源极金属电极之间的电容Co、栅极和 N+源极扩散区的电容 CN+，以及栅极和扩散区P区的电容Cp组成。

一般器件的手册中，都会以下列形式给出MOSFET的寄生电容，

输入电容：

输出电容：

反向传输电容：

米勒平台的形成

考虑到电感负载的广泛应用，本文以电感负载来分析米勒平台的形成。由于MOS管开关的时间极短，电感电流可以认为不变，当作恒流源来处理。图3是栅极驱动电路以及开通时MOS管的电流电压波形。

图3. 栅极驱动电路及其波形

MOS管的开通过程可以分为三个阶段。

t0-t1 阶段

图4. t0-t1时的等效电路

从 t0时刻开始，栅极驱动电流给栅源电容Cgs充电。Vgs从0V上升到Vgs(th)时，MOS管处于截止状态，Vds保持不变，Id为零。

t1-t2 阶段

图5. t1-t2时的等效电路

从t1时刻开始，MOS管因为Vgs超过其阈值电压而开始导通。Id开始上升，电感电流流经续流二极管DF的电流一部分换向流入MOS管。但是此时二极管仍然导通，MOS两端的电压仍然被二极管钳位保持不变。驱动电流只给栅源电容Cgs充电。到t2时刻，Id上升到和电感电流一样，换流结束。

在t1-t2这段时间内，电感电流上升过程中Vds会稍微下降。这是因为Id上升的di/dt会在引线电感等杂散电感上形成压降，所以MOS管两端的电压会稍稍下降。

这段时间内，MOS管处于饱和区。

t2-t3阶段

图6. t2-t3时的等效电路

从t2时刻开始，由于MOSFET中的电流已经上升达到电感负载中的电流，MOS管两端的电压不再被VDD钳位。因此，漏源之间的反型层沟道也不再被VDD束缚而呈楔形分布，Vds开始降低 ，栅极驱动电流开始给Cgd充电。驱动电流全部用来给Cgd充电，栅极电压Vgs保持不变呈现出一段平台期，这个平台称为米勒平台。

米勒平台一直维持到Vds电压降低到MOS管进入线性区。可以注意到，在米勒平台期，Vds电压下降的斜率分为两段，这与MOSFET的结构有关。在导通的不同阶段Cgd电容发生变化的缘故。

在这个阶段，MOS管仍然处于饱和区。

这里顺便说一下，为什么漏源电压在MOSFET进入米勒平台后开始下降。

在进入米勒平台前，漏源电压由于被二极管钳位保持VDD不变，MOS管的导电沟道处于夹断状态。当MOSFET的电流和电感电流相同时，MOSFET的漏极不再被钳位。这也就意味着，导电沟道由于被VDD钳位而导致的夹断状态被解除，导电沟道靠近漏极侧的沟道渐渐变宽，从而使沟道的导通电阻降低。在漏极电流Id不变的情况下，漏源电压Vds就开始下降。

当漏源电压Vds下降后，栅极驱动电流就开始给米勒电容Cgd充电。几乎所有的驱动电流都用来给Cgd充电，所以栅极电压保持不变。这个状态一直维持到，沟道刚好处于预夹断状态，MOS管进入线性电阻区。

图7. MOSFET在不同漏极电压时，导电沟道的变化情况

t3-t4 阶段

图8. t3-t4时的等效电路

从t3时刻开始，MOSFET工作在线性电阻区。栅极驱动电流同时给Cgs和Cgd充电，栅极电压又开始继续上升。由于栅极电压增加，MOSFET的导电沟道也开始变宽，导通压降会进一步降低。当Vgs增加到一定电压时，MOS管进入完全导通状态。

现在总结一下，在MOSFET驱动过程中，它是怎么打开的。图9标示了在开通时不同阶段对应在MOSFET输出曲线的位置。当Vgs超过其阈值电压（t1）后，Id电流随着Vgs的增加而上升。当Id上升到和电感电流值时，进入米勒平台期（t2-t3）。这个时候Vds不再被VDD钳位，MOSFET夹断区变小，直到MOSFET进入线性电阻区。进入线性电阻区（t3）后，Vgs继续上升，导电沟道也随之变宽，MOSFET导通压降进一步降低。MOSFET完全导通（t4）。

图9. MOSFET输出曲线

米勒效应对MOSFET开关过程的影响

下面以图10中电机控制电路来说明米勒效应对MOSFET开通关断过程的影响。在图10控制电路中，上管导通时，VDD通过Q1、Q4对电机进行励磁；上管关断时，电机通过Q4、Q3进行去磁。在整个工作过程中，Q4一直保持开通，Q1, Q2交替开通来对电机转子进行励磁和去磁。

图10. 电机控制电路

图11，图12是上下管开通关断时驱动电压测试波形。可以清楚的看到，在上管开通和关断时，下管栅极上会产生一个尖峰，尖峰的电压增加了上下管同时导通的风险，严重时会造成非常大的电流同时流过上下管，损坏器件。

图11. 上管开通下管关断时的测试波形

图12. 上管关断上管开通时的测试波形

下管开通关断出现的这种波形是由漏栅电容导致的寄生开通现象（如图13所示）。在下管关断后，上管米勒平台结束时，桥臂中点电压由0升到VDD，MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此在漏栅电容产生的电流会流到栅极，经栅极电阻到地，这样就会在栅极电阻上产生的电压降。这种情况，就会可能发生上下管同时导通，损坏器件。

图13. MOSFET寄生开通机制

下管的这个Vgs尖峰电压（也有公司称之为Vgs bouncing）可以表达为：

Rgoff驱动关断电阻，Rg,ls(int)为MOSFET栅极固有电阻，Rdrv为驱动IC的电阻。从公式（1）可以看到，该电压与Rgtot和Cgd呈正向相关。

所以解决这个问题有两类方法：

1. 减小Rgtot。由公式（2）知道，Rg,ls(int)由器件本身决定，Rdrv由驱动IC决定，所以一般是选择合适的Rg来平衡该Vgs bouncing电压。

2. 选择Crss/Ciss（即Cgd/Cgs）低的MOSFET有助于降低Vgs尖峰电压值。或者在MOSFET栅源之间并上一个电容，也会吸收dV/dt产生的漏删电流。图15是在下管的GS两端并联5.5nF电容后的开关波形，可以看到电压明显降低，由图11中的3.1V降低到1.7V，大大降低了上下管贯通的风险。

图15. 下管GS并上5.5nF电容的波形

同理，上管关断至米勒平台结束时，下管开通前，桥臂中点电压由VDD降为0，MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此就会在栅极上面产生一个负压。

同时，由图11，图12，可以观察到，下管开通关断过程中，都没有出现米勒平台现象。这是因为在其开通关断时，由于Motor中的电流经过下管的体二极管续流，DS两端电压很小，所以米勒平台也就形成不了了。

审核编辑：郭婷