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MOSFET的dv/dt及失效模式解讀

什么是MOSFET的dv/dt能力? 

當MOSFET器件工作在高頻電路中時,漏-源極電壓會有很高的變化速率,dv/dt指的是MOSFET漏-源極所允許的電壓最高變化速率,若是超過這個速率就會導致器件燒毀失效。

失效模式

dv/dt失效通常發生在硬開關應用中,其中兩個MOSFET用于半橋配置,如下圖。

高側和低側MOSFET交替導通和關斷,實現輸出電壓Vout在高低之間快速轉換。

當高側和低側MOSFET交替導通和關斷頻率過快(開關速度過快)時,會產生較高的dv/dt。當dv/dt大于低側MOSFET允許的最高電壓變化速率時,就會發生高側器件還未完全關閉,低側器件就已經短暫導通現象,這時輸入電源與地短路,產生大電流將流過半橋使兩個器件燒毀。

dv/dt導致器件短暫導通模式主要有兩種:MOSFET器件開啟、寄生三極管(BJT)開啟。

1、 MOSFET器件開啟

在MOSFET的結構中,存在寄生電容Cgd、電阻Rg,如下圖:

如上圖,當器件漏極dv/dt過大時,由于Cgd電容的充放電,柵極會產生感應電流I:

I=Cgd×dv/dt

由于柵電阻Rg的存在,電流I流過Rg會在柵極產生尖峰電壓Vgs:

Vgs=I×Rg= Cgd×dv/dt×Rg

當柵極電壓Vgs超過器件的閾值電壓Vth時,器件將被迫導通,使器件燒毀。由上式可以得到電路所允許的最大頻率:

在此失效模式下,如果想提高MOSFET器件dv/dt能力,可以通過降低柵電阻Rg,柵-漏電容Cgd以及提高器件閾值電壓VTH實現。VTH與環境溫度程負相關,因此器件dv/dt能力隨溫度的升高而降低

2、寄生三極管(BJT)開啟

在MOSFET的結構中,存在寄生三極管(BJT)、電容Cds,如下圖:

如上圖,當器件漏極dv/dt過大時,由于電容Cds的充放電,P-區會產生感應電流Ib:

Ib=Cds×dv/dt

由于P-區電阻Rb的存在,電流Ib流過Rb會在兩端產生電壓差Vbe;

Vbe=Ib×Rb= Cds×dv/dt×Rb

當Rb兩端電壓差Vbe大于三極管的開啟電壓Vbi時,寄生三極管開啟,使器件燒毀。由上式可以得到電路所允許的最大頻率:

在此失效模式下,如果想提高MOSFET器件dv/dt能力,可以通過降低P-區電阻Rb、源-漏電容Cds實現。電阻Rb與環境溫度程正相關,因此器件dv/dt能力隨溫度的升高而降低

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only one
LV.8
2
05-26 00:10

在此失效模式下,如果想提高MOSFET器件dv/dt能力,可以通過降低P-區電阻Rb,有什么用?

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only one
LV.8
3
05-26 00:11

dv/dt大于低側MOSFET允許的最高電壓變化速率時,就會發生高側器件還未完全關閉,為什么?

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05-26 10:58

一個半橋電路

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05-26 17:47

失效模式打開的話會增大系統傳輸的損耗么

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05-26 21:33

怎么樣有效控制這個失效模式的關斷及打開

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05-26 21:48

這個失效模式下信號傳輸會發生偏轉么

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05-26 23:25

不同模式下信號傳輸效率有什么區別

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05-26 23:29

在此失效模式下,如果想提高MOSFET器件dv/dt能力,可以通過降低P-區電阻Rb、源-漏電容Cds實現。電阻Rb與環境溫度程正相關,有什么關系嗎?

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tanb006
LV.10
10
05-27 09:18

第一段,說零件會燒毀。這有點問題,可能是機器翻譯 吧。最多是效率降低。

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dy-mb2U9pBf
LV.8
11
05-28 21:57

mosfet還有這個失效的原因,以前是沒有太關注的,以后需要多學習一下了。

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千影
LV.6
12
05-30 23:35

如何通過設計降低MOSFET的dv/dt以增強器件在高頻電路中的穩定性?

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旻旻旻
LV.8
13
06-02 21:18

MOSFET的閾值電壓Vth隨溫度升高而降低,因此高溫環境下更容易發生dv/dt失效

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only one
LV.8
14
06-22 23:34

當Rb兩端電壓差Vbe大于三極管的開啟電壓Vbi時,寄生三極管開啟,使器件燒毀。由上式可以得到電路所允許的最大頻率:

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沈夜
LV.8
15
06-23 00:08

如何降低MOSFET的dv/dt以避免高頻電路中的損壞?

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tanb006
LV.10
16
06-25 14:07

如果驅動頻率超過它允許最高頻率會咋樣?停止輸出?等頻率降低之后又恢復?

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fzwwj95
LV.6
17
06-26 14:35
@tanb006
第一段,說零件會燒毀。這有點問題,可能是機器翻譯吧。最多是效率降低。

dv/dt失效確實會導致器件燒毀,而非僅效率降低。當dv/dt過高時,高側和低側MOSFET同時導通,形成輸入電源到地的短路路徑,產生大電流(如數十安培),瞬間過熱燒毀器件。這在半橋硬開關應用中常見,需通過設計預防。

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fzwwj95
LV.6
18
06-26 14:36
@千影
如何通過設計降低MOSFET的dv/dt以增強器件在高頻電路中的穩定性?

通過設計降低dv/dt以增強穩定性:

優化柵極驅動:減小柵電阻Rg(如從10Ω降至5Ω)以降低Vgs尖峰。選擇低電容器件:優先Cgd和Cds小的MOSFET(如GaN器件)。添加緩沖電路:在漏-源間并聯RC snubber吸收dv/dt能量。控制開關速度:通過驅動IC限制上升/下降時間,避免過快切換。

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fzwwj95
LV.6
19
06-26 14:36
@瘋狂的西紅柿
在此失效模式下,如果想提高MOSFET器件dv/dt能力,可以通過降低P-區電阻Rb、源-漏電容Cds實現。電阻Rb與環境溫度程正相關,有什么關系嗎?

電阻Rb與環境溫度正相關(Rb隨溫度升高而增加),導致在高溫下Vbe=Cds×dv/dt×Rb更易超過Vbi,使寄生三極管開啟風險增大,因此dv/dt能力在高溫下降低。需在設計中考慮散熱和溫度補償。

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fzwwj95
LV.6
20
06-26 14:36
@dy-nmLUWFNr
怎么樣有效控制這個失效模式的關斷及打開

有效控制dv/dt失效模式的關斷及打開:關斷控制:使用負壓關斷驅動(如-5V柵極電壓)確保MOSFET完全關閉。打開控制:優化死區時間(如增加100ns)防止高/低側同時導通;結合電流模式控制監測偏磁,避免dv/dt超限。

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fzwwj95
LV.6
21
06-26 14:36
@only one
當Rb兩端電壓差Vbe大于三極管的開啟電壓Vbi時,寄生三極管開啟,使器件燒毀。由上式可以得到電路所允許的最大頻率:

降低P-區電阻Rb的作用是減少寄生三極管開啟風險。在dv/dt過高時,電流Ib=Cds×dv/dt流過Rb產生Vbe;降低Rb可減小Vbe,防止其超過三極管開啟電壓Vbi(約0.7V),從而避免器件燒毀。

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