工程師筆記 | MOSFET 驅動振蕩那些事-WAYON維安方案設計代理商KOYUELEC光與電子

MOSFET作為柵極電壓控制器件，柵源極驅動電壓的振蕩會極大的影響器件和電源轉換器的可靠性，實際應用中嚴重的柵極振蕩還可能會引起器件或電路異常失效。

那引起MOSFET柵源振蕩的原因是什么?有沒有辦法消除?本文將從工程師日常筆記，來分析功率MOSFET的GS寄生振蕩和振鈴的原因與改善措施，以及器件外圍驅動參數和器件本身的優化。

圖1 MOSFET柵源控制示意圖

#1MOSFET柵極振蕩危害

1-1 導致EMI裕量不足

下圖2，圖3是在一款50W LED電源測試不同MOSFET波形和EMI輻射測試圖。

圖2 VGS 振蕩輕微的波形及輻射測試圖

圖3 VGS 振蕩驗證的波形及輻射測試圖

由圖2、圖3可知，振蕩輕微的EMI輻射裕量高出約6dB。

1-2 動態負載切換振蕩嚴重導致器件失效

在某款電源動態測試時發現異常比例偏高，經過仔細測試分析發現該電源主開關管存在嚴重振蕩現象如下圖4。圖4、圖6中通道1是MOSFET VGS柵源驅動電壓波形。圖4中發現MOSFET出現反復的開通和關斷。

通過進一步對異常導致失效的樣品進行Decap 觀察，發現芯片表面柵極壓焊點存在較明顯燒傷。通過應用端分析，導致柵極振蕩是電源在動態負載切換時，MOSFET存在較大的電流應力且電流變化較快。經過應用端PCB布局調整優化等措施后，減小動態負載切換MOSFET電流應力，VGS振蕩明顯改善。

圖4 電源動態測試VGS柵源振蕩嚴重

圖5 振蕩嚴重引起失效品Decap

圖6 PCB布局調整優化后VGS波形

#2MOSFET柵極振蕩機制分析

MOSFET振蕩和振鈴的主要原因如下：

2-1 振蕩電路的形成

振蕩網絡形成在電路中，并導致MOSFET的寄生振蕩。

振蕩的條件是：

a.相位條件

從輸出到輸入的反饋信號與輸入信號在振蕩頻率上同相。(正反饋回路)

b.振幅條件

由電路中的無源元件引起的損耗低于放大器獲得的增益。當電路具有正反饋并提供補償損耗的增益時，就會發生振蕩。

圖7 反饋網絡示意圖

v2=AHv1, Go=v2/v1=AH 當AH為正時，將創建一個正反饋環路;當AH為負時，將創建一個負反饋環路。當正反饋環路的增益AH為1或更大時，它將變得不穩定并振蕩。

2-2 漏極和源極之間的浪涌電壓

關斷期間，漏極和源極之間的振鈴電壓可能返回到柵極，通過柵極-漏極電容Cgd的正反饋環路連接到柵極端，并導致柵極電壓振蕩。

2-3 源電感

關斷期間由漏極-源極電流的di / dt以及源極引線和導線雜散電感所感應的電壓可能導致MOSFET的柵極-源極環路進入LCR諧振狀態。

功率MOSFET具有較大的跨導gm和寄生電容。因此，導線和其他雜散電感(柵極，源極和漏極電路之間以及相關互連中的電感)可能會形成正反饋電路，從而導致寄生振蕩。振蕩電壓可能會在正反饋環路和柵極上產生電壓過沖，從而導致MOSFET永久損壞。

功率MOSFET易受寄生影響振蕩：

a.負載短路時;

b.在gm變大的瞬態切換期間。

由于MOSFET工作在線性模式(即同時應用Vds和Id)，因此可以通過電磁感應，寄生電容和其他因素形成正反饋路徑。gm高的MOSFET的環路增益為1或更大時，就會進入寄生振蕩。

圖8 兩種型號MOSFET 跨導 對比

圖9 型號1 264V短路啟動

圖10 型號2 264V短路啟動

從圖9,10可以看出跨導較小的器件型號2，短路啟動VDS漏源電壓最大752V，而跨導較大的器件VDS漏源電壓最大848V.

2-4 MOSFET 反饋環

圖11 Colpitts振蕩器等效電路圖

Colpitts振蕩器寄生振蕩的條件表示為：

方程式1: gm≥(Cgs / Cds)/ R3

R3是漏源電阻

當滿足方程式1時，就會發生寄生振蕩。

圖12 Hartley振蕩器等效電路圖

哈特萊Harltey 振蕩器寄生振蕩的條件表示為

方程式2：

圖12中，L1是漏源端寄生電感，L3是柵源端寄生電感。L3越大，L1/L3比值越小，越容易導致振蕩。也就是L3 寄生柵源電感越大，越容易振蕩。

#3如何抑制或緩解柵源振蕩

3-1 調整驅動電路阻尼比 ζ

方程式3:

驅動電路的阻尼比ζ=0,稱無阻尼，系統無窮震蕩，不收斂;

ζ由0約接近1，收斂越快。ζ<1 稱為欠阻尼，意味著系統存在超調且有震蕩，

ζ>1稱為過阻尼，意味著系統不超調;

ζ=1稱為臨界阻尼，意味著系統不超調，且以最短時間恢復平衡狀態或者穩定狀態。

ζ=1 柵極電阻R計算如方程式4，例如門極回路寄生電感為25nH,門極等效電容為1nf,則臨界電阻值是10Ω. L寄生電感越大，臨界電阻值越大。

圖13 驅動電路的阻尼比ζ 不同對應的柵源驅動波形仿真圖

方程式4:

3-2 適當提高MOSFET內部寄生電阻

Rgint.

Rgint 不是越高越好，維安SJ-MOSFET C2,C4系列內部Rgint 均有提高，維安SJ-MOSFET C2,C4系列通過提高柵極內部寄生電阻降低器件最高開關速度并改善抑制柵極振蕩。

圖14 MOSFET寄生參數模型

3-3 適當降低低器件跨導gm

由方程式2：gm≥(Cgs / Cds)/ R3，可知，適當降低低器件跨導gm，使器件參數不能滿足方程式2，這樣也就達不到振蕩條件。

3-4 適當提高器件閾值電壓

適當提高閾值電壓可以緩解半橋或者全橋拓撲中上下橋臂直通概率。

小結：主要介紹MOSFET 柵極振蕩引起問題并深入分析了其中的原因。結合實際案例驗證改善的方法。

審核編輯：湯梓紅