MOSFET 驅(qū)動振蕩那些事

leafcho 2021-11-01

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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(yīng)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

MOSFET柵極振蕩危害

1-1 導(dǎo)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(dǎo)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(guān)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(fù)的開通和關(guān)斷。

通過進一步對異常導(dǎo)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(yīng)用端分析，導(dǎo)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(yīng)力且電流變化較快。經(jīng)過應(yīng)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(yīng)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

MOSFET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(luò)形成在電路中，并導(dǎo)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(luò)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(guān)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(dǎo)致柵極電壓振蕩。

2-3 源電感

關(guān)斷期間由漏極-源極電流的di / dt以及源極引線和導(dǎo)線雜散電感所感應(yīng)的電壓可能導(dǎo)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(dǎo)gm和寄生電容。因此，導(dǎo)線和其他雜散電感（柵極，源極和漏極電路之間以及相關(guān)互連中的電感）可能會形成正反饋電路，從而導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用Vds和Id），因此可以通過電磁感應(yīng)，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。