工程師筆記 | MOSFET 驅(qū)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(qū)動電壓的振蕩會極大的影響器件和電源轉(zhuǎn)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(qū)動參數(shù)和器件本身的優(yōu)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(tài)負載切換振蕩嚴重導致器件失效

在某款電源動態(tài)測試時發(fā)現(xiàn)異常比例偏高，經(jīng)過仔細測試分析發(fā)現(xiàn)該電源主開關管存在嚴重振蕩現(xiàn)象如下圖4。圖4、圖6中通道1是MOSFET VGS柵源驅(qū)動電壓波形。圖4中發(fā)現(xiàn)MOSFET出現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(tài)負載切換時，MOSFET存在較大的電流應力且電流變化較快。經(jīng)過應用端PCB布局調(diào)整優(yōu)化等措施后，減小動態(tài)負載切換MOSFET電流應力，VGS振蕩明顯改善。

圖4 電源動態(tài)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(diào)整優(yōu)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(wǎng)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(fā)生振蕩。

圖7 反饋網(wǎng)絡示意圖

v2=AHv1, Go=v2/v1=AH 當AH為正時，將創(chuàng)建一個正反饋環(huán)路;當AH為負時，將創(chuàng)建一個負反饋環(huán)路。當正反饋環(huán)路的增益AH為1或更大時，它將變得不穩(wěn)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(huán)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(huán)路進入LCR諧振狀態(tài)。

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(huán)路和柵極上產(chǎn)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(tài)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(huán)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(huán)

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(fā)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(diào)整驅(qū)動電路阻尼比 ζ

方程式3:

驅(qū)動電路的阻尼比ζ=0,稱無阻尼，系統(tǒng)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(tǒng)存在超調(diào)且有震蕩，

ζ>1稱為過阻尼，意味著系統(tǒng)不超調(diào);

ζ=1稱為臨界阻尼，意味著系統(tǒng)不超調(diào)，且以最短時間恢復平衡狀態(tài)或者穩(wěn)定狀態(tài)。

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(qū)動電路的阻尼比ζ 不同對應的柵源驅(qū)動波形仿真圖

方程式4:

3-2 適當提高MOSFET內(nèi)部寄生電阻

Rgint.

Rgint 不是越高越好，維安SJ-MOSFET C2,C4系列內(nèi)部Rgint 均有提高，維安SJ-MOSFET C2,C4系列通過提高柵極內(nèi)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(shù)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(shù)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