VISHAY功率MOSFET 基本系列：了解栅极电荷并用来评估开关性能

1、VISHAY SILICONIX功率MOSFET应用指南608功率MOSFET基本系列：了解栅极电荷并用来评估开关性能Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge andUsing it to Assess Switching Performance作者- Jess Brown引言本册是系列应用指南中的第二册，对于MOSFET独立器件以及开关模式电源（SMPS）开关器件方面的基本性能做出了详细说明。第一册的应用指南(1)提供了MOSFET的基本说明及所涉及到的专业术语，包括定义和物理结构。这一应用指南更加详细地描述了MOSFET在实际应用电路中的

2、开关性能，并努力帮助读者/设计师利用数据手册中最少量的可用信息来选择正确的器件。该应用指南涉及到MOSFET的开关性能的多种评估方法并将其与实际应用结果进行了比较。文中所使用的若干定义均引自应用指南AN605。备注(1)电压VGS就是栅极处的实际电压，这也是我们在分析装置的开关性能时需要考虑的因素。若阶跃输入加在VGS_APP，那么可以得出下列结论：VGS_APPVGSig=-Rgig=igs+igdigsdVGS=Cgs-dt(1) (2) (3)AN605：功率MOSFET基础：了解MOSFET与品质因数有关的特性，文件编号71933。MOSFET独立开关使用电容要想了解MOSFET开关性

3、能的最基本知识，最好单独考虑这个器件并且认为它不受任何外部影响。在这种条件下，MOSFET的栅极等效电路如图1所示，其中的栅极由内部栅极电阻（Rg）和两个输入电容（Cgs和Cgd）组成。有了这个简单的等效电路，就有可能取得一个阶跃栅极电压的输出电压响应。而且，由于VDS值是固定的igs因此VGS_APPVGSdVdV-=Cgs-GS-+Cgd-GS-Rgdtdt和dVGSdt-=-VGS_APPVGS(Cgs+Cgd)Rg得出t In(VGS_APPVGS)=-+k(Cgs+Cgd)RgVGS=VGS_APPke(Cgs+Cgd)Rg当 t = 0, VGS = 0 V，因此VGS=VGS_A

4、PP(1e(Cgs+Cgd)Rg)ttdVGS=Cgd-dt(4)(5)(6)(7) (8)图 1 - MOSFET栅极等效电路图中仅显示了（两个输入电容）Cgs、Cgd以及（电阻）Rg(9)应用指南文件编号：73315版本：2004年12月02日VISHAY元器件应用技术支持团队VISHAY元器件武汉技术支持，VISHAY元器件华中，西南，西北技术支持:王鹏手机电话电子邮件：JerryWangwestpac-.hkVISHAY元器件青岛技术支持，VISHAY元器件华北，东北技术支持:牟军手机电话：0532-858

5、0 3033电子邮件：TonyMuwestpac-.hkVISHAY元器件上海技术支持，VISHAY元器件华东，华北技术支持:杨雪手机电话：021-5489 1461 电子邮件：CindyYangwestpac-.hkVISHAY元器件深圳技术支持，VISHAY元器件华南技术支持:吴龙手机电话：0755-8826 2914 电子邮件：WuLongwestpac-.hkVISHAY元器件VISHAY特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子香港威柏电子(Westpac Electronics)创办於1992年，为日

6、本富士电机(FUJI ELECTRIC)半导体器件之中国及香港地区专业代理。主要产品为FUJI富士电源IC,FUJI富士MOSFET,FUJI富士三极管，FUJI富士超快恢复二极管，FUJI富士肖特基二极管，FUJI富士单管IGBT，FUJI富士Super J-MOS,FUJI富士电机IGBT模块，FUJI富士电机IPM模块，FUJI富士电机PIM功率集成模块，FUJI富士电机分立IGBT,FUJI富士智能功率模块,FUJI富士三电平IGBT模块，FUJI富士汽车级IGBT模块等。威柏电子 以客为本 Westpac ELectronics Customer-based serviceFUJI

7、ELECTRIC富士电机简介：富士电机早在1923年成立以来，一直致力于技术革新和挑战，为顾客提供高质量的服务。 富士电机集团是“向客户提供最大满足的企业”的代名词。不断向具有独创性的技术革新挑战,为客户竭诚服务。FUJI ELECTRIC富士电机发挥创业以来积累的“自由操控电力”的电力电子技术优势，成为“环境，能源”领域举足轻重的国际企业。FUJI ELECTRIC富士电机研发制造高品质电力电子功率半导体IGBT/IPM，为太阳能发电，风力发电，智能电网，工业自动化变频伺服，铁路机车，电动汽车等提供核心功率器件，为高效化和节能做贡献！FUJI ELECTRIC富士电机功率半导体致力于在“节约

8、电力”和“创造电力”可靠且高效的应用，为人类绿色可持续发展不断努力！FUJI ELECTRIC Innovating Energy Technology 富士电机 不断创新的能源科技Westpac威柏：WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT模块中国一级代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT一级代理商 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT一级代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT中国代理商 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT代理商 WESTPAC威柏-富士IPM代理商 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT模块代理 WESTPAC威柏-FUJI IGBT modul

9、e distributor WESTPAC威柏-FUJI ELECTRIC IGBT MODULE DISTRIBUTORWESTPAC威柏-FUJI富士IGBT深圳代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT授权分销 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT授权代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT上海代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT北京代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT成都代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT青岛代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT武汉代理 WESTPAC威柏-FUJI富士IGBT西安代理Westpac威柏针对工业电力

10、电子领域以FUJI ELECTRIC富士电机IGBT模块（包括富士IPM模块、富士PIM模块、FUJI富士IGBT驱动IC）為核心，威柏配合国际知名品牌功率器件：富士IGBT驱动器，富士IGBT驱动器解决方案，富士IGBT模块专用驱动，富士IGBT模块定制驱动晶闸管，WESTPAC威柏-可控硅SCR、WESTPAC威柏-电力MOSFET、WESTPAC威柏-MOSFET模块，WESTPAC威柏-电力二极管、WESTPAC威柏-二极管模块、单相整流桥、叁相整流桥等。Westpac威柏同时可以為客户提供IGBT驱动方案及配套单片机MCU、DSP、高速光耦、隔离光耦、电源IC、平波用铝电解电容及薄膜

11、电容、IGBT突波吸收电容等元件。业务遍及轨道交通、智能电网(HVDC)、通用变频器、高压变频器、伺服驱动器 、UPS、变频与传动、电动汽车、电力系统无功补偿装置UPS逆变器/UPS/EPS、风电变流器、变频空调、光伏变流、机车主牵引变流器、电梯变频器 、起重专用变频器 、 感应加热、电源电镀/电解电源 、有源滤波/无功补偿、机车辅助逆变器、逆变焊机；Westpac威柏在电VISHAY特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子能质量（APF,SVG）、逆变焊机、不间断电源UPS、Inverter变频器、数控伺服、电动汽车、风力太阳能发电等领域与客户战略合作，全力支

12、持中国电力电子工业发展！威柏电子致力于工业节能和新能源市场的拓展香港威柏电子（Westpac Electronics）于1996年成为BC components(后被VISHAY收购)分立元件授权分销商；威柏电子于2005年正式成为VISHAY国内汽车全线电子元器件代理及各电子行业之分立元件代理；VISHAY电阻代理VISHAY电容代理VISHAY MOSFET代理VISHAY二极管代理VISHAY整流桥代理VISHAY TVS代理VISHAY光耦VISHAY固态继电器代理威柏电子 以客为本 Westpac ELectronics Customer-based serviceVISHAY, B

13、Ccomponents, Sprague, Dale, Beyschlag, Vishay Semiconductors, Sfernice, Siliconix VISHAY代理（VISHAY一级代理 VISHAY中国代理商 VISHAY汽车电子元器件专业代理）。vishay vishay代理商 vishay semiconductor vishay代理 VISHAY威柏vishay电阻 VISHAY电容 vishay dale vishay公司简介 vishay siliconix vishay电容 ESTA电力电容 Sfernice功率电阻vishay一级代理商 vishay中国代理商

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17、ED威柏电子威柏电子，以客为本！WESTPAC威柏电子-致力于VISHAY(威世)高品质元器件在中国市场的推广！ 威柏电子-威世中国区代理商WESTPAC威柏代理的 VISHAY产品线主要有：半导体- + 裸片和晶圆裸片和晶圆- + 二极管二极管 (1357)整流器 (1131)TVS和ESD (125)- + IC's - Power and LinearAnalog Switches and Multiplexers (146) Hi-Rel Analog Sw and Mux (4)功率IC (92)- + 模块桥式整流器： (15)二极管 (102)IGBT (45)MOSFE

18、T (5)半导体闸流管 (25)- + MOSFETMOSFET (1040)MOSFETs, Automotive (162)MOSFETs, Hi-Rel Military (4)MOSFETs, Medical (3)- + 光电子光电子 (626)光耦合器 / 光学隔离器 (99)IR Receivers (53)Photo Detectors (66)Infrared Emitters (85)LED (178)Solid-State Relays (34)IrDA? 收发器 (7)反射式/透射式传感器 (14)LCD/Plasma/Touch/LED Display (121)7段

19、显示器 (10)- + 半导体闸流管半导体闸流管 (62)无源元件- + 电容器电容器 (437)铝电容器 (95)陶瓷电容器 (141)薄膜电容器 (98)强电流功率电容器 (26)钽电容器 (82)- + 电感器电感器 (173)变压器 (8)- + 电阻线性 (282)Networks and Arrays (107)VISHAY特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子Non-Linear (53)Variable (92)- + 传感器Position: Angular and Linear (62)Position: Non-Contacting (1

20、0)Temperature & Humidity (53)- + OTHER COMPONENTSChip Antenna (2)连接器 (17)晶体管 (7)熔丝 (3)Hybrids and Substrates (2)振荡器 (7)薄膜LED衬底(镶嵌式贴装)香港威柏电子（Westpac Electronics）于2012年成为青铜剑电力电子科技（Bronze Tech）IGBT驱动产品的代理,主要产品有2QD30A17K-I,2QD15A17K-C,2QD23-S,IGBT串联专用驱动器等。作为富士电机半导体器件国内最大的代理商，威柏电子完善的销售网络、丰富的市场经验和良好的客

21、户关系，结合青铜剑科技专业的研发团队、高品质的产品和快速响应的技术支持，必定能够实现双赢，与我们在新能源、智能电网、工业节能等领域的客户协力合作，促进中国电力电子行业的飞速发展。威柏电子致力于工业节能和新能源市场的拓展应用指南608Vishay Siliconix功率MOSFET基本系列：了解栅极电荷并用来评估开关性能Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge andUsing it to Assess Switching Performance此处给出了实际栅极电压（VGS）达到阈值电压所需要的时长。为了方便说明，图2给出了一个更加实用的电路

22、，即：在VDS和Cgd之间放入了一个附加电阻。在这种情况下，阶跃响应就变得十分复杂而且方程式（方程式10）也变得更加难解。图 2 - MOSFET等效电路图，仅显示了Cgs, Cgd 和 Rg, 以及 RgdVGS_APPVGS=VGS_APP-(AB)2其中(10)图 3 - 方程式9（标准）和方程式10（集合）的图解t(CR)A=(CRk+)e-2CgdRgdCgsRgt(CR+)B=(CRk)e-2CgdRgdCgsRg图3中的方程式9和方程式10表明，栅极电压达到阈值1V所耗费的时长差约为1纳秒。因此，对于是否采用对栅极瞬态电压精度影响不大的、较简单的计算方法仍存在争议。但是，从图中来

23、看，采用方程式计算出的结果比MOSFET所得到的实际瞬变的值要小。根据以上结论，当考虑MOSFET带有其它寄生器件时， 手动 解答这种实际电路的方程式将更加难以掌握。因此，需要一种实际电路的分析方法。如果可以忽略这些二阶或寄生元件以及其他组件的话，我们就有可能得出MOSFET开启和关闭时间段的公式。方程式11到16给出了相关计算方法，如波形图4和图5所示。这些方程是在B J Baliga (1推出的方程式的基础上得出的，其中Rg为内部栅极电阻，Rg_app是外部栅极电阻，Vth是MOSFET的阈值电压，VGP是栅极效应电压。备注(1) B. J. Baliga, Power Semicondu

24、ctor DevicesCRk=CgsRg+CgdRg+CgdRgd并且k=CgsRg+2CgsRgCgd2CgdRgdCgsRg222+CgdRg+2CgdRgRgd+CgdRgd22222应用指南2文件编号：73315版本：2004年12月02日应用指南608Vishay Siliconix功率MOSFET基本系列：了解栅极电荷并用来评估开关性能Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge andUsing it to Assess Switching Performance1t1=(Rg+Rg_app)(Cgs+Cgd)In-Vth-1VG

25、S_APP1t1=(Rg+Rg_app)(Cgs+Cgd)In-VGP-1VGS_APP(VDSVF)(Rg+Rg_app)Cgd-t3=-VGS_APPVGP(11) (12) (13)这种情况下，可以精确计算t4 和 t6的值，但是由于在此时间段中VDS的变化导致Cgs 也随之变化，所以t5的算式很难求 解。因此，在不采用动态值Cgd 的情况下，计算t3 和 t5。VF是满载电流导通时MOSFET上的电压降，VDS是电路关闭状态下的MOSFET的电压降。使用数据表中的数值可以得出精确的t1 和t2值，但是由于Cgd 的值随着VDS而变化，时间段值t3就难以计算。图 5 - MOSFET关闭

26、瞬态使用栅极电荷来确定开关时间如图6的栅极电荷波形图 (1)所示，Qgs 被定义为原点与MillerPlateau (VGP)起点之间的电荷值; Qgd 被定义为从 VGP 到效应平台末端之间的电荷值；Qg 被定义为从原点到波曲线顶点 之间的电压，此时驱动电压值VGS与装置的实际栅极电压值相等。备注(1)Gate Charge Principles and Usage, Power Electronics Europe.Issue 3, 2002. Technology.图 4 - MOSFET开启瞬态使用同一原则计算MOSFET关闭状态时的方程式时，开关瞬态的算式如下：VGS_APP(14)

27、t4=(Rg+Rg_app)(Cgd+Cgs)In-VGPVDSVFt4=(Rg+Rg_app)Cgd-VGPVGPt6=(Rg+Rg_app)(Cgd+Cgs)-Vth(15) (16)图 6 - 栅极电荷分类草图应用指南文件编号：73315版本：2004年12月02日3应用指南608Vishay Siliconix功率MOSFET基本系列：了解栅极电荷并用来评估开关性能Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge andUsing it to Assess Switching PerformanceCgs 和 Cgd充电后会导致t2中的VGS

28、 走高（图4）。此时VDS 不变，从而Cgd 和Cds相对恒定。此时 Cgs 通常比 Cgd 的值大，从而导致大部分的驱动电流流入Cgs 而不是流入 Cgd。Cgd 和 Cds 之间的电流取决于电容和其电压乘积的时间导数。 此时栅极电荷的值可以假设为Qgs。波形图的另一部分是Miller Plateau电压。通常认为进入效应 区域与峰值电流区域的栅极电荷值相同。但是，栅极电荷的拐点实际上取决与时间有关的乘积值(1) (CgdVGD)。这意味着 如果漏电流值很小而输出阻抗值很大，左边的拐点出现后IDS就可以达到其最大值。但是，我们可以假设电流最大值接近拐点并且此应用指南应用指南中也假设拐点处的栅

29、极电荷与负载电流IDS是相对应的。Miller Plateau电压的斜率一般显示为零或接近零的斜率，但 是此变化率取决于Cgd 和 Cgs之间的驱动电流的分配。如果 斜率不为零，一部分驱动电流就会流入Cgs。若斜率为零，所有的驱动电流就会若流入Cgd。当CgdVGD乘积急速增大并且所有的驱动电流都用来平衡Cgd周围电压的变化时，装置处于Miller Plateau状态下注入栅极中的电荷为Qgd。需要注意的是一旦这种效应结束（当VDS达到通态值时），Cgd将再次回归恒定且大量电流再次流入Cgs。由于Cgd的值更大并且量值上更接近Cgs，变化率的斜度不再像第一个时期(t2)那么大。备注(1)tvf

30、Qgd_d(VDSVF)(Rg+Rg_app)=-IDS(VDS_DVF_D)VGS_APPVth+-gfs(18)同样，在关闭瞬态电压时，电压的上升时间(tvr = t5)为：Qgd_d(VDSVF)(Rg+Rg_app)tvr=-IDS(19)(VDS_DVF_D)Vth+-gfs电流的下降时间(tif = t6)为：IDSVth+-gat VDSfs)In-=(Rg+Rg_app)(CissVth(20)tif等式和数据手册值的对比从图7中可以看出数据手册中开启和关闭时间的定义。这些定义可以等效于以上和此处所示的等式：(21)td(on)t1+tirtrtvftd(off)t4tftvr

31、同前。(22)(23)(24)结合栅极电荷和电容组合以获得开关时间本手册的目标是使用数据手册数据来预测MOSFET的开关时间从而预估开关损耗。由于是t1 终点到t3终点的这段时间导 致的导通损耗，所以很有必要计算出这一时间（图4）。将11和12联合起来就有可能获得电流的上升时间(tir = t2 - t1) 并且由于VDS在此时间段里保持恒定，我们可以在恰当的VDS值处使用特定资料表中的Ciss值。 假设传输特性不变，那么 可以用Vth + IDS/gfs替换VGP：tir=(Rg+Rg_app)(Cissat VDS)(17)gfs(VGS_APPVth)x In-gfs(VGS_APPVt

32、h)IDS图 7 - 显示开启和关闭时间定义的草图在VDS (tvf = t3)回落期很难采用Cgd的值。因此，因此，如果采用数据手册中的栅极电荷值(Qgd_d)并且除以漏极连接上所见到的电压变化(VDS_D - VF_D)，我们就可以根据数据手册的瞬态值，有效地为Cgd给出一个值。应用指南4文件编号：73315版本：2004年12月02日应用指南608Vishay Siliconix功率MOSFET基本系列：了解栅极电荷并用来评估开关性能Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge andUsing it to Assess Switching

33、 Performance表1-开关瞬态示例SI4892DY计算值Rg_app Ciss at VDSCiss at 0 Vgfs VGS_APPVthIDSQgd_dVDS_D IDS_DRDS(on)VFVF_D VDSt1 (等式 11)tir (等式 17)tvf (等式 18)t4 (等式 14)tvr (等式 19)tif (等式 20)td(on)trtd(off)tf数据手册td(on) tr td(off) tf-1011241020205020ns最小值5.462088021.690.80.92.813.511.20.0080.00720.0913.50.280.011.48

34、.47.50.060.291.48.47.5典型值0.86775110027101.413.51512.40.010.010.12150.790.022.814.516.70.140.812.814.516.7最大值16.6930132032.4111.81.14.216.513.60.0120.01320.1616.51.60.055.52647.70.441.75.52647.7图 9 - 关闭状态下开关瞬态值的测量电流值和电压值nsV单位pFS VAnCVA图 8 - 开启状态下开关瞬态值的测量电流值和电压值Rg表2-测量值和计算值对比计算值tir (等式 17)tvf (等式 18)t

35、vr (等式 19)tif (等式 20)测量值tirtvftvrtif168.810.428201113352413.215.642ns最小值0.181.63.50.95典型值0.443.77.91.0最大值1.18.4221.5ns单位最小开关瞬态值是利用适当的参数值来计算的，这个参数会导出一个最短的开关瞬态值。在某些情况下，这意味着使用最大参数值来计算最小开关瞬态值，反之亦然，即使用最小参数值来计算最大开关瞬态值。将等式和测量到的开关瞬态值进行比较数据手册中的开关瞬态值是采用电阻负载测量到的，不代表实际电路。装置本身也不会按照以上的理想状态来运行。因此，可以测得实际的开关波段，如图8和图

36、9所示。这些开关瞬态值适用于Si4892DY降压变换器上管。电路参数为：VDS = 5 V, IDS = 5 A, VGS_APP = 5 V, and Rg_app = 10 应用指南文件编号：73315版本：2004年12月02日5应用指南608Vishay Siliconix功率MOSFET基本系列：了解栅极电荷并用来评估开关性能Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge andUsing it to Assess Switching Performance驱动电路的局限从表2中可以看出，计算值和实际测量值之间十分相近。但是，MOSFET

37、的开关时间不仅受寄生元件的影响，同时还受驱动电路的影响。在上述条件下，假设栅极电路不会限制MOSFET的开关性能。例如，在MOSFET P通道和N通道 驱动器下，输入栅极的理论电流值可能比驱动器实际的供电电流值要大。MOSFET的驱动方式有数种，本应用指南在此不做描述。使用本文中所描述的算式计量开关时间，不需要使用复杂的算式与模型或者昂贵的模拟软件就可以估计开关损耗。主要的差异就是计算值和实际电流瞬变值的不同。这些计算结果比实际瞬态值小一个数量级，因此，需要进一步考虑电流上升和回落的时间，下面有相关描述。电流瞬变计算值和实际测量值之间之所以存在误差是由于计算值都是在假设的理想状态下得出的。等式

38、中可以参考的一个主要参数是MOSFET的封装电感。这会减缓电流的瞬变速度，并且可以在某些假设状态下考虑利用它来使计算简便。由于负载电流一般情况下比栅极电流大得多，我们先假设所有通过封装电感的电流都是IDS。因此开启状态下MOSFET封装电感电压可以表示为：如果将等式25从VGS中减去并且用来解t的值，tir瞬变则是：tir=(Rg+Rg_app)Cissat VDS(VGS_APPVth)gfsL(V-V)+thGS_APP(Rg+Rg_app)Cissat VDSx In-(VGS_APPVGP)电流瞬变tif计算结果采用同样的原理如下：tif=(Rg+Rg_app)Cissat VDSgf

39、sLV-1+GP(Rg+Rg_app)Cissat VDSx In-Vth(27) (26)表3-封装电感测量值和计算值比较计算值tir (等式 26)tvf (等式 18)tvr (等式 19)tif (等式 27)测量值tirtvftvrtif168.810.428201113352413.215.642ns最小值4.71.63.58.1典型值8.13.77.917.9最大值13.28.42232.8ns单位(VGS_APPVth)gfsL-VL=-(Rg+Rg_app)Cissat VDSx e(Rg+Rg_app)(Cissat VDS)这就是电流瞬变产生的电阻值并且是从栅极电压中减去

40、的那部分电压值，因此可以减慢电流的瞬变速度。t(25)结论本应用指南描述了在独立评估状态下，功率MOSFET的上升和下降时间的有效近似值。数据手册中用于导出公式的数据值可以用来得出MOSFET的开关性能及开关损耗。但是，如图3所示，理想的开关瞬态总是要比实际值短，一般情况下，我们应该采用数据手册中的参数最大值来计算实际结果。应用指南6文件编号：73315版本：2004年12月02日VISHAY特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子香港总公司-VISHAY分立半导体及无源器件香港一级代理： 威柏电子有限公司.Westpac Electronics Limited.香港九龙观塘成业街7号宁晋中心33字楼B室电话: (852)2763 5991 传真: (852)2343 6979电邮: infowestpac-.hk JoWangwestpac-.hk国内办事处：Westpac威柏电子深圳分公司-VISHAY分立半导体及无源器件深圳一级代理： 深圳市威柏德电子有限公司深圳: 深圳市福田区金田路诺德中心17楼B室电邮: PeterZhaowestpac-.hk电话:88262913 88262910 88262908 传真