MOSFET三极管寄生电容、寄生电感思考

三极管？

三极管

三极管内部的寄生电容和寄生电感是由三极管的物理结构和工艺制造过程引起的。它们是不可避免的，因为它们是器件结构的固有特性。

寄生电容主要是由PN结和接触处的空间电荷区引起的。在三极管中，寄生电容会导致信号的反馈、降低三极管的高频响应和增加噪声等问题。

寄生电感则是由电流通过线圈时产生的磁场引起的。它会导致信号的传输延迟和能量损失等问题。同时，由于寄生电感会使得三极管的高频特性变差，因此在高频应用中，需要特别注意抑制和减小寄生电感的影响。
三极管的设计和应用中，需要尽可能地降低其影响，以保证器件的性能和可靠性。

MOS管在开关过程中出现尖峰与电压电流的瞬态变化以及寄生参数 (寄生电感、寄生电容) 有关，特别是针对高频开关。在MOS开通过程中，伴随很大的电压瞬变，即dv/dt，从而在寄生电容中产生大的位移电流Cdv/dt，形成电流尖峰；在MOS关断过程中，通道内产生电流瞬变，di/dt， 瞬变电流在寄生电感端产生尖峰电压Ldi/dt。根据公式u=-Ldi/dt，在削减尖峰时我们可以相应从这几个方面进行考虑：1. MOSFET关断前的电流 2. 开关速度 3. 电路中电感（包括寄生电感）

寄生电容、寄生电感

在三极管内部，由于电流的流动和器件结构的特点，会存在一些线圈或环形电流路径，从而产生寄生电感。这些线圈或电流路径主要包括以下几种：

基区-发射区的电流路径：在三极管中，基区和发射区之间的电流路径形成了一个线圈，从而产生了一个寄生电感L_g。

集电极-基区的电流路径：集电极与基区之间的电流路径也形成了一个线圈，从而产生了一个寄生电感L_c。

包裹基极的漏磁线圈：在某些特殊结构的三极管中，基极周围有一个包裹基极的漏磁线圈，也会产生一个寄生电感L_lkg。

这些寄生电感的产生主要是由于电流在线圈中的自感作用和磁场的感应作用引起的。这些寄生电感的存在会影响三极管的高频特性和稳定性，因此在三极管的设计和应用中需要尽可能地降低其影响。

当考虑到三极管内部的寄生电容和寄生电感时，三极管的等效电路图会变得更加复杂。上面图中以PNP三极管为例，包含了寄生电容和寄生电感的等效电路图:
图中C_gs、C_gd、C_ds分别为栅极与源极和栅极与漏极以及漏极与源极之间的等效电容，其中栅极与漏极之间的电容C_gd就是臭名昭著的**米勒电容**。
L_g 和 L_d 则是基极线圈和集电线圈的寄生电感。除此之外，R_g 和 R_d则是基极电阻和集电电阻，它们代表了三极管中的有源区和耗散区。这些寄生元件的存在会对三极管的电路性能产生影响，需要在电路设计时进行充分考虑。
上图中所示的等效电路图只是一种可能的模型，实际上，三极管的等效电路图可能因器件类型、工作频率等因素而不同。在实际电路中，需要进行精确的电路仿真和测量，以得到更准确的三极管等效电路模型。

反向冲击电压

在三极管关断时，由于负载电感等原因，电流无法瞬间中断，而是会出现一个反向电压冲击。这个冲击会产生在负载电感两端，同时也会传播到三极管的基极。在基极处，由于存在基极发射结，基极发射结的反向耐压是有限的，而负载电感产生的反向电压冲击是非常高的，因此会导致基极发射结瞬间击穿，产生一个反向电流，即所谓的反向电压冲击。

这个反向电流会瞬间将三极管的基极电位拉低，从而使三极管进入一个高阻态，即关断状态。这个过程非常短暂，一般只有纳秒级别的时间，但是由于反向电流的瞬间高峰值和短脉冲宽度，会给三极管的基极和发射极带来一定的热量和压力，从而会对三极管的可靠性和寿命造成影响。

负载电感

这种反向冲击电压通常是因为负载电感导致的。负载电感通常是指在三极管的集电极和负载之间串联的电感。在实际电路中，三极管常常用来驱动电机、灯泡等负载，而这些负载本身就带有一定的电感，同时驱动线路中也会添加电感元件来过滤电源噪声、提高稳定性等。这些电感元件和负载电感一起构成了整个电路的负载电感。

减少负载电感的影响

当三极管关断时，由于负载电感的存在，电流无法瞬间中断，而是会产生反向电压冲击，这种冲击会在负载电感两端产生。因此，为了限制这种反向电压冲击，可以在负载电感两端加入一个反向恢复二极管，用来吸收这种反向电压；或者在栅极与漏极之间并联进去一个电容，以此增加米勒电容值，使得反向电压给米勒电容充电从而抑制反向冲击电压对栅极电阻或者直接控制的GPIO的影响。

基极的寄生电感和寄生电容与集电极相比，哪个更大？

一般情况下，基极的寄生电容和寄生电感都比集电极的寄生电容和寄生电感小。这是因为基极通常被设计为较小的结构，它与其它两个极之间的距离也相对较小，因此它的寄生电容和电感都比较小。而集电极通常是较大的结构，它与其它两个极之间的距离也相对较大，因此它的寄生电容和电感都比较大。不同型号和工艺的三极管的寄生参数可能存在较大的差异，因此具体情况可能会有所不同。

三极管关断时，基极的寄生电感方向是什么，集电极寄生电感方向是什么？

在三极管关断时，基极的寄生电感的方向是从基极向集电极，集电极的寄生电感方向是从集电极向基极。这是因为在关断状态下，集电极电势较高，而基极电势较低，电荷会在基极和集电极之间产生一定的积累，从而导致产生寄生电容和寄生电感。

三极管关断时的反向电压具体是有什么产生的，这个反向电压的方向是什么，其中反向电流是怎么流的？

在三极管关断时，反向电压是由负载电感和基极的寄生电感共同产生的。当三极管切断电流时，负载电感中的电流无法立即消失，而是产生了一个瞬态高压。这个高压在三极管中产生了一个反向电压峰值，即反向电压。

这个反向电压的方向是从集电极到基极，并且是反向极性的。因为此时负载电感中的电流会试图维持电流不变，但由于三极管切断，电流无法继续流过，只能通过基极和集电极之间的通道产生反向电压，并导致电流逆向流动。

需要注意的是，这个反向电流的大小非常小，通常在几微安左右，因为三极管的寄生电容和负载电感都是很小的电容和电感，而且在切断瞬间只会产生非常短暂的反向电压峰值。

基极的寄生电容电感不会抵消掉这个反向电压吗？

基极的寄生电容和电感会对反向电压产生一定的影响，但是通常不足以完全抵消反向电压峰值的影响。这是因为基极的寄生电容通常很小，而基极的寄生电感也会受到电路中其他元件的影响而发生变化，使得抵消效果不稳定。

NPN三极管的仿真分析

电路现象展示

从仿真结果可以看出，改变基极的下拉电阻或电流电阻会影响这个反向电压大小；因为改变基极限流电阻会影响三极管的关断速度，限流电阻越小，三极管的关断速度越快。当限流电阻很小的时候，三极管的关断速度非常快，因此储存在基极电容中的电荷会以较快的速度转移到集电极，这会产生一个很高的峰值反向电压。相反，当限流电阻很大的时候，三极管的关断速度较慢，电荷转移速度也较慢，这意味着峰值反向电压较小。因此，基极的限流电阻大小直接影响三极管关断时的反向电压大小。

验证集电极（漏极）的寄生电感对反向电压的影响

集电极的寄生电感值大小取决于三极管的具体结构和工艺，不同型号、不同制造厂家的三极管寄生电感值可能会有所差异。一般来说，集电极的寄生电感值在几纳亚到几十纳亚之间。
验证过程中，直接在集电极串联一个电感，以此来增加集电极的寄生电感值，进而观察对三极管断电时候反向电压的大小。
为了使效果更加明显，直接串联一个3.3mH的电感，使得效果更加明显，易于分辨。

将电感串联进去后，进行仿真，观察三极管关断时侯基极的电压波形如下所示， 明显看出关断时侯产生的反向电压明显高于不串电感之前的反向电压。

解决办法

仿真中在三极管的基极与发射机之间添加了一个旁路电容，产生的反向电压波动信号通过这个电容对地放电，从而滤除这种反向电压的干扰。下图中a-c、b-d、e-g、f-h，可以看出，不管负载电感大小，加了这个旁路电容后，都不会产生这种反向冲击电压；但是会带来断电延时，电容越大，这种断电延时时间越长，可以对比a-c和e-g，但是可以通过改变基极的限流和下拉电阻值来是关断延时减小（因为增加了基极的电流，加快了三极管的开通速度）。电容越大会导致米勒平台越严重，所以电容不能太大。一般采用PNP的三极管可以规避这个问题，但是又会引入新的问题。

参考

1、链接：https://www.zhihu.com/question/279783475/answer/2851833438
2、ChatGPT