功率MOSFET输出电容的非线性特性

1、前言

功率MOSFET的数据表中有三个寄生电容：输入电容Ciss、输出转移电容Crss和输出电容Coss。其中，Crss为栅极G和漏源D电容，这个电容也称米勒电容;栅极和源极的电容为CGS，漏极D和源极的电容为CDS，Ciss等于CGS与Crss之和，Coss等于CDS与Crss之和。Ciss、Crss和Coss是功率MOSFET非常重要的三个动态参数，Ciss和Crss影响着开关过程中电压和电流交叠的开关损耗，以及开关过程的dV/dt和di/dt;Coss影响电容关断过程中的dV/dt，以及开通损耗。但是，Crss和Coss还有一个非常重要的特性，就是非线性特性，这个特性会影响功率MOSFET的开关性能，比如开关过程中的栅极震荡，功率MOSFET并联工作的栅极震荡，还会影响开关损耗以及桥式电路上下管死区时间计算的精度。本文将分析Crss和Coss的非线性特性。

2、Coss的非线性特性

Coss和Crss电容非线性特性就是指：当所加的偏置电压VDS发生改变的时候，它们的电容值也会发生改变，表现出非线性的特性，如图1所示。Coss和Crss的具有同样的特性，因此，下面主要以Coss为例，来进行说明。

图1：AOT10N60的电容特性

当电容二端的电压增加时，就会形成对电容的充电电流，电容二个电极上的电荷量也会增加，因此，电容二端电压的变化是通过二个电极上的电荷的变化来实现。电容值的大小，和电容二个电极的面积A成正比，和二个电极的距离d成反比，和介质介电常数e成正比：

功率MOSFET的输出电容Coss实际上是漏极D和源极S的PN结的电容，漏极D和源极S加上电压VDS，PN结的耗尽层加宽，耗尽层、也就是空间电荷区内部的电荷数量增加，形成对PN结的充电电流，因此PN结的这个特性表现为电容的特性，耗尽层在P区、N区里面的边界，就相当于电容的二个电极。

图2：功率MOSFET结构

图3：功率MOSFET内部PN结耗尽层

功率MOSFET外加电压VDS，输出电容Coss的电荷数量的改变，是通过耗尽层厚度的改变来实现。外加电压VDS增加，耗尽层厚度也相应的增加。在一定的外加偏置电压下，如果偏置电压发生非常小的变化，耗尽层厚度基本可以认为保持不变，耗尽层电荷的变化量与电压的变化量成正比，那么，在此外加偏置电压下，输出电容Coss为：

外加电压VDS比较小时，耗尽层厚度也比较小，P区、N区初始的掺杂浓度相对比较高，自由导电的电子和空穴浓度比较高，因此，即使外加电压VDS发生很小的变化DV，空间电荷区也会产生非常大的电荷变化DQ，由公式2可以得到，当偏置电压VDS比较小时，输出电容Coss电容值非常大。

图4：不同VDS电压的PN结耗尽层

外加电压VDS增加到一定值，耗尽层厚度也增加到一定值，P区、N区的自由导电的电子和空穴浓度被大量消耗，浓度非常低，相当于低偏置电压VDS，为了得到同样的空间电荷区电荷变化值DQ，就需要更大的外加电压VDS的变化值DV1。由公式2可以得到，同样DQ ，DV1>DV，当偏置电压VDS大时，Coss电容值就会变小。

同时，偏置电压VDS大时，耗尽层厚度增大，相当于Coss电容的二个电极的距离增加，因此，会导致Coss电容值进一步的降低。

对于新型超结结构的高压功率MOSFET，由于采用横向耗尽电场，导致Coss和Crss的非特性更为严重，更容易产生各种应用的问题。

3、结论

(1)功率MOSFET的Coss和Crss会随着外加电压VDS的增加而降低，从而表现出非线性的特性，新型超结结构的高压功率MOSFET非线性特性更为严重，更容易产生各种应用的问题。

(2)Coss和Crss的大小与二个极板相对应的面积成正比，与二个极板的距离成反正。

(3)不同的偏置电压下耗尽过程中，载流子浓度变化的非线性是电容具有非线性特性的主要原因。