如何避免功率MOSFET发生寄生导通?

该文描述了引起功率MOSFET发生寄生导通的机制，并进一步指出为了避免寄生导通，在选取MOSFET时应遵循什么准则。

功率MOSFET的寄生导通

实际上，功率MOSFET发生寄生导通（不希望发生的事件）的机率比我们的预计更高，造成的损失也更大。寄生导通通常会损坏MOSFET，且之后很难查出故障的根源。寄生导通机制取决于漏源和栅源电压间的电容分压比例 。

图1是一个基本的半桥配置，该半桥是H桥或三相桥的一部分。如果半桥上管的MOSFET导通了，为了避免直通和因过流而可能出现的MOSFET故障，必须关断半桥下管的一个MOSFET。

图1 MOSFET半桥及其感性负载

此时，可通过下列公式（1）计算出栅极和源极间的电压：

因此，即便驱动电路试图关断半桥下管的MOSFET，即驱动电路将栅极和源极间的电压置为0(UGS=0V)，但由于漏源电压发生变化，且分压线路包含米勒电容(CGD)和栅源电容，所以MOSFET仍然有导通的风险。电容分压器是最快的分压器，对漏源之间出现的所有瞬态电压反应极快，并对其中的高频瞬态电压（即du/dt高的UDS ）反应尤其快。在栅极和源极之间安装一个电阻在一定程度上可以防范寄生导通，但作用很小且对高du/dt值无作用。

下面的例子阐述了这些电压到底有多高，多快：

图2是具有寄生元件的逆变器桥臂的半桥配置。电路布局，几何约束或MOSFET连接线所造成的寄生电感，电阻和电容是无法避免的。另一方面，逆变器所在的电路具有最高的di/dt值（典型值约为1A/ns），而电机的相电流和电源线里的电流变化相对平稳。

图2 具有寄生电感（绿色部分）的逆变器半桥基本设计图

MOSFET里的二极管恢复脉冲常常在半桥里产生最高的di/dt。寄生电感和高di/dt感应同时出现或多或少会产生高感应电压尖峰，并在半桥里产生大量地高频噪声。根据寄生电感的尺寸，在12V应用中会出现过压和欠压尖峰，范围是1－2V和几十伏。除了产生高频噪声，这些电压尖峰还会危害MOSFET，桥式驱动器和其它的ECU元件。此外，它们还会使功率MOSFET意外导通。

为避免寄生导通，如何选取MOSFET

再看公式（1）：

为了防止寄生导通，UGS/UDS比必须尽量小，UDS/UGS 比必须尽量大，CGS/CGD比也必须尽量大。因此，建议：

为了对寄生导通反应低敏，CGS/CGD 比必须尽量大，大于15（或者最小大于10）。

下面的例子说明了如何从数据手册摘录所需的值（本例中的器件为用于电机驱动的 IPB80N04S3-03, OptiMOS-T 40V功率MOSFET）:

由于：

可以计算出：CGD_typ=240pF 且CGS_typ=5360pF。CGS/CGD 比是22.3，这个值完全可以防止寄生导通。

图3 数据手册中的电容值

为了获知这些电容值和电源电压大小之间的关系，数据手册还提供了栅漏电容和栅源电容与漏源电压之间的关系，图4是它们之间关系的曲线图。

图5比较了MOSFET在不同的大电流应用中（如安全关键电子助力转向，或电子液压助力转向，或发电机）的Cgs/Cgd比。可以看出使用IPB160N04S3-H2后，不会发生寄生导通了，而使用其它两个MOSFET，仍然可能发生寄生导通。

图4 栅漏电容和栅源电容与漏源电压的典型关系


图5 MOSFET在不同的大电流应用中CGS/CGD 的比