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2017.07.06 Si功率元件

所謂MOSFET-寄生電容及其溫度特性

Si電晶體

繼前次Si電晶體的分類和特徴、基本特性之後,接著我想追加說明目前被廣泛用來作為功率切換的Si-MOSFET的特性。

MOSFET的寄生電容

MOSFET在構造上存在有下圖般寄生的静電容量。下圖雖然以N-ch MOSFET為例,不過就算是P-ch,其思考方式亦同。這裡的話題,也就是處理大電力的功率MOSFET必須取得使用頻率或切換速度來作為想要限制的參數。

MOSFET的閘極﹙gate﹚、汲極﹙drain﹚、源極﹙souce﹚以閘極氧化膜絕緣,而且汲極-源極間透過基板( body/substrate)形成PN接面,使寄生(body)二極體存在。

下圖的閘極-源極間電容Cgs及閘極-汲極間電容Cgd取決於閘極氧化膜的靜電容量,而汲極-源極間電容Cds則為寄生二極體的接面電容。

si_2-2_capf

表中的Ciss、Coss、Crss三項參數與這些寄生電容﹙parasitic capacitance﹚有關,一般常見於MOSFET數據表中,且在靜態特性和動態特性分開記載的數據表中被分類為動態特性,是影響切換特性的重要參數。

Ciss是輸入功率電容,是閘極-源極間電容Cgs和閘極-汲極間電容Cgd合計的電容,而且是從輸入功率方來看的MOSFET全體電容。由於使MOSFET動作必須驅動(charge充電)此電容,因此Ciss是討論輸入功率元件驅動能力或損失時的參數。而驅動(charge充電)Ciss所需要的電荷量則是Qg。

Coss是輸出功率電容,是汲極-源極間電容Cds和閘極-汲極間電容Cgs合計的電容,而且是輸出功率側的全體電容。當Coss大時,即使閘極為OFF,起因於Coss的電流也會流向輸出功率,而在輸出功率完全OFF之前需要一段時間。

Crss是閘極-汲極間電容Cgd,被稱為反饋電容﹙feedback capacitance﹚或反向轉移電容﹙Reverse Transfer Capacitance﹚。當Crss大時,即使閘極為ON,汲極電流的增層﹙build-up﹚也慢,OFF時增層﹙build-up﹚將變慢。總之,是對切換速度有極大影響的參數。而驅動(charge充電)Crss所必要的電荷量就是Qgd。

此外,這些電容對汲極-源極間電壓VDS具有依附性。如圖形所示,當VDS加大時,電容値有變小的傾向。

MOSFET寄生電容的溫度特性

Ciss、Coss、Crss對溫度幾乎不會產生變化,因此切換特性可以說幾乎不受溫度變化的影響。以下為實測例。

si_2-2_cap-temp

此次說明了MOSFET動態特性之一的寄生電容,接下來預定談論切換相關話題。

重點:

・MOSFET有寄生電容存在,寄生電容是影響切換特性的重要參數。

・寄生電容對溫度幾乎不會產生變化,因此切換特性幾乎不受溫度變化的影響。

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