英家大咖 | HV SJ MOSFET工作在第三象限时电流路径探究

熊康明

英飞凌电源与传感系统事业部

主任工程师

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引言

相信各位工程师在日常的电源设计中，当面对ZVS的场景时，经常会有如下的困惑：比如大名鼎鼎的LLC，工作在死区时，MOSFET 寄生二极管续流，当完成了对结电容的充放电之后，再打开MOSFET以降低器件的损耗。

细心的工程师可能就会发现一个有趣的问题，我们这里拿IPW60R024CFD7举例说明，假设死区时刻，流过二极管的电流为50A (125℃结温），那么此刻MOSFET源漏极压降Vsd=0.96V；（如下图所示）

当死区结束，给到驱动信号，打开MOSFET，假设电流完全流过沟道，那么此刻Vsd=50*0.024*1.9=2.28V。（备注：1.9为125℃下电阻标准化比率）

这时候您可能心里就要犯嘀咕了：打开了MOSFET后，导通损耗反而变大了？电流到底是走沟道还是体二极管？如果损耗变大了那么我还需要打开MOSFET吗？

带着以上疑问，我们来细细的品一下HV SJ MOSFET的一些小知识吧！

02

HV SJ MOSFET小知识

SJ MOSFET的剖面图如下所示：在这个结构中，我们可以看到三个器件模型：

1.NMOS 导电沟道

2.寄生NPN三极管（BJT）

3.寄生PIN二极管

以上2种寄生结构分别对MOSFET器件的物理参数有着如下的限制：

1.寄生BJT:限制MOSFET器件dVds/dt能力，寄生BJT导通条件约为dVds/dt > VBE(BJT)/(Rp+ * Cdb)，硬开关场景需要考虑该因素；

2.寄生体二极管:限制MOSEFT器件dI/dt反向恢复能力(Qrr)，硬开关场景需要考虑该因素。

当MOSFET工作在开关状态时，处于线性工作区，其物理特性为等效电阻，（如下图所示），二极管I-V曲线大家都耳熟能详，那么当二者同时导通电流时，会是怎样？简单的几何相加吗？

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探究MOSFET在第三象限的工作

根据常识我们知道，对于一个给定的MOSFET，其导通电流的能力，宏观上，与驱动电压大小，MOSFET结温都有着密切联系。那么当MOSFET工作在第三象限是否还有类似的关系呢？我们这里采用控制变量法，通过仿真来一探究竟：

首先我们看同一结温（25℃）下，不同的驱动电压I-V曲线：

由上仿真结果图我们可以总结出：

1.Vgs< Vgs(th)时，沟道尚未打开，MOSFET I-V曲线表现为二极管特性；

2.Vgs>Vgs（Miller）时，沟道打开，MOSFET IV曲线在小电流下表现为纯阻性（I-V曲线呈现线性关系），在大电流下表现为沟道、寄生体二极管二者共同作用（I-V曲线呈现非线性关系）；

3.在大电流场景下，Vgs电压越高，MOSFET器件呈现阻性（I-V曲线斜率）越大。

其次，我们再看一下不同结温下 MOSFET I-V曲线，有如下结论：

1.Vgs<Vgs(th)时，沟道尚未打开，结温越高，寄生体二极管导通阈值电压越低，电阻率越低（二极管特性）；

2.Vgs>Vgs(miller)时，沟道打开，小电流下，结温越高，器件电阻率越高；大电流下，结温越高，器件的电阻率越低。

MOSFET器件沟道本身为少子（电子）导电，其温度越高，电子迁移率越低，因此阻性越大；PIN二极管、BJT 均为双极型载流子器件，其电导调制效应起主导作用，因此电流越大，阻性越低；温度越高，（电导调制效应越强，载流子浓度越高）阻性越小。

04

微观世界的神秘风采

好奇的工程师朋友们肯定想知道：在微观世界下，是什么之间的相互作用，导致了上述的结果呢？我们在这里抛砖引玉，尝试性的扒开微观世界的面纱，一瞥其神秘风采：

1.当Vgs=0时， P、N、N+ 掺杂层形成PIN二极管的结构，在外加电场的作用下，电子源源不断的通过电源负极，注入到N+层，N层，使得轻掺杂的N层载流子浓度以非线性的形式快速提高，大大提高了通流能力；空穴同理。

2.N+、P+、N掺杂层形成NPN BJT结构，变化的电场改变电子移动方向、速度（电流方向、大小），当电子（位移电流）流过P+层（等效电阻）以及P+层与衬底等效电容的产生的压降>BJT的开通阈值电压VBE时，（即当外加电场变化率dVds/dt > VBE(BJT)/(Rp+ * Cdb)时，）BJT导通。

3.当Vgs > Vgs(miller)时，P+层足够多的电子被吸附到栅氧层表面，形成导电沟道，此时MOSFET沟道导通：

1）当电流较小时，MOSFET Vsd两端管压降 < 二极管开通阈值，不足以维持二极管内部反型层，二极管关闭，此刻电流完全流经沟道。

2）当电流较大时，MOSFET Vsd 两端管压降 > 二极管开通阈值，二极管参与导通：PIN结构二极管内部电子空穴对均参与导电。由于Gate-Souce正电压的存在，将会捕获PIN结构二极管部分自由移动的电子空穴对，进而呈现出Vgs电压越高，电阻率越大的结果。当在导电沟道内的电子移动速率、数量与PIN二极管的电子空穴对移动速率、数量达到动态平衡时，器件进入稳态。

通过以上的分析，我们知道了MOSFET器件工作于第三象限时，电流路径不是简单的加和，是沟道跟寄生结构的共同作用效果。

05

能效非凡，低碳未来

既然是这样，那么为什么我们在器件处于第三象限时，我们还要打开驱动，让沟道也参与导电呢？（此刻的阻抗明显更大了）

答案是这样的：MOSFET寄生的结构虽然可以大大的降低导通阻抗，但是由于电导调制效应的存在，使得载流子复合消失过程时间大大增加，进而导致严重的关断损耗。在实际的电路设计中，需要权衡开关损耗、导通损耗，折衷处理。通常，对于硅基 MOSFET来讲，导通损耗与关断损耗会控制在一个数量级上。在如今的电源产品中，开关频率已经从几十KHz覆盖到几个MHz，即使是ZVS的拓扑结构（比如LLC），由于关断损耗的存在，也需要完全打开沟道，使得尽可能多的电流流经沟道，这样在关断时有，PIN结构二极管内载流子可以更快的复合消失，以减小器件关断损耗(Qrr)。

好消息是伴随着Infineon GaN器件的出现，GaN器件由于其材料特性（关断损耗极小）、结构特性（不存在寄生二极管），在ZVS的拓扑（比如LLC），可以在不牺牲效率的前提下大幅提升开关频率，将电源产品的功率密度、效率，往前推进一个新的时代。

一如既往地完成Infineon对于时代的承诺：

能效非凡，低碳未来！

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