MOSFET dv/dt能力及失效模式解读

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什么是MOSFET的dv/dt能力?

当MOSFET器件工作在高频电路中时，漏-源极电压会有很高的变化速率，dv/dt指的是MOSFET漏-源极所允许的电压最高变化速率，若是超过这个速率就会导致器件烧毁失效。

失效模式

dv/dt失效通常发生在硬开关应用中，其中两个MOSFET用于半桥配置，如下图。

高侧和低侧MOSFET交替导通和关断，实现输出电压Vout在高低之间快速转换。

当高侧和低侧MOSFET交替导通和关断频率过快（开关速度过快）时，会产生较高的dv/dt。当dv/dt大于低侧MOSFET允许的最高电压变化速率时，就会发生高侧器件还未完全关闭，低侧器件就已经短暂导通现象，这时输入电源与地短路，产生大电流将流过半桥使两个器件烧毁。

dv/dt导致器件短暂导通模式主要有两种：MOSFET器件开启、寄生三极管（BJT）开启。

1、 MOSFET器件开启

在MOSFET的结构中，存在寄生电容Cgd、电阻Rg，如下图：

如上图，当器件漏极dv/dt过大时，由于Cgd电容的充放电，栅极会产生感应电流I:

I=Cgd×dv/dt

由于栅电阻Rg的存在，电流I流过Rg会在栅极产生尖峰电压Vgs:

Vgs=I×Rg= Cgd×dv/dt×Rg

当栅极电压Vgs超过器件的阈值电压Vth时，器件将被迫导通，使器件烧毁。由上式可以得到电路所允许的最大频率：

在此失效模式下，如果想提高MOSFET器件dv/dt能力，可以通过降低栅电阻Rg，栅-漏电容Cgd以及提高器件阈值电压VTH实现。VTH与环境温度程负相关，因此器件dv/dt能力随温度的升高而降低。

2、寄生三极管（BJT）开启

在MOSFET的结构中，存在寄生三极管（BJT）、电容Cds，如下图：

如上图，当器件漏极dv/dt过大时，由于电容Cds的充放电，P-区会产生感应电流Ib:

Ib=Cds×dv/dt

由于P-区电阻Rb的存在，电流Ib流过Rb会在两端产生电压差Vbe;

Vbe=Ib×Rb= Cds×dv/dt×Rb

当Rb两端电压差Vbe大于三极管的开启电压Vbi时，寄生三极管开启，使器件烧毁。由上式可以得到电路所允许的最大频率：

在此失效模式下，如果想提高MOSFET器件dv/dt能力，可以通过降低P-区电阻Rb、源-漏电容Cds实现。电阻Rb与环境温度程正相关，因此器件dv/dt能力随温度的升高而降低。