工程師筆記 | MOSFET 驅(qū)動(dòng)振蕩那些事-WAYON維安方案設(shè)計(jì)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(dòng)電壓的振蕩會(huì)極大的影響器件和電源轉(zhuǎn)換器的可靠性，實(shí)際應(yīng)用中嚴(yán)重的柵極振蕩還可能會(huì)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(méi)有辦法消除?本文將從工程師日常筆記，來(lái)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(dòng)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(dǎo)致EMI裕量不足

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

圖2 VGS 振蕩輕微的波形及輻射測(cè)試圖

圖3 VGS 振蕩驗(yàn)證的波形及輻射測(cè)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(dòng)態(tài)負(fù)載切換振蕩嚴(yán)重導(dǎo)致器件失效

在某款電源動(dòng)態(tài)測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)異常比例偏高，經(jīng)過(guò)仔細(xì)測(cè)試分析發(fā)現(xiàn)該電源主開(kāi)關(guān)管存在嚴(yán)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(dòng)電壓波形。圖4中發(fā)現(xiàn)MOSFET出現(xiàn)反復(fù)的開(kāi)通和關(guān)斷。

通過(guò)進(jìn)一步對(duì)異常導(dǎo)致失效的樣品進(jìn)行Decap 觀察，發(fā)現(xiàn)芯片表面柵極壓焊點(diǎn)存在較明顯燒傷。通過(guò)應(yīng)用端分析，導(dǎo)致柵極振蕩是電源在動(dòng)態(tài)負(fù)載切換時(shí)，MOSFET存在較大的電流應(yīng)力且電流變化較快。經(jīng)過(guò)應(yīng)用端PCB布局調(diào)整優(yōu)化等措施后，減小動(dòng)態(tài)負(fù)載切換MOSFET電流應(yīng)力，VGS振蕩明顯改善。

圖4 電源動(dòng)態(tài)測(cè)試VGS柵源振蕩嚴(yán)重

圖5 振蕩嚴(yán)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(jī)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(hào)與輸入信號(hào)在振蕩頻率上同相。(正反饋回路)

b.振幅條件

由電路中的無(wú)源元件引起的損耗低于放大器獲得的增益。當(dāng)電路具有正反饋并提供補(bǔ)償損耗的增益時(shí)，就會(huì)發(fā)生振蕩。

圖7 反饋網(wǎng)絡(luò)示意圖

v2=AHv1, Go=v2/v1=AH 當(dāng)AH為正時(shí)，將創(chuàng)建一個(gè)正反饋環(huán)路;當(dāng)AH為負(fù)時(shí)，將創(chuàng)建一個(gè)負(fù)反饋環(huán)路。當(dāng)正反饋環(huán)路的增益AH為1或更大時(shí)，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(guò)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(xiàn)和導(dǎo)線(xiàn)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(jìn)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(xiàn)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(huì)形成正反饋電路，從而導(dǎo)致寄生振蕩。振蕩電壓可能會(huì)在正反饋環(huán)路和柵極上產(chǎn)生電壓過(guò)沖，從而導(dǎo)致MOSFET永久損壞。

功率MOSFET易受寄生影響振蕩：

a.負(fù)載短路時(shí);

b.在gm變大的瞬態(tài)切換期間。

由于MOSFET工作在線(xiàn)性模式(即同時(shí)應(yīng)用Vds和Id)，因此可以通過(guò)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(shí)，就會(huì)進(jìn)入寄生振蕩。

圖8 兩種型號(hào)MOSFET 跨導(dǎo) 對(duì)比

圖9 型號(hào)1 264V短路啟動(dòng)

圖10 型號(hào)2 264V短路啟動(dòng)

從圖9,10可以看出跨導(dǎo)較小的器件型號(hào)2，短路啟動(dòng)VDS漏源電壓最大752V，而跨導(dǎo)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(dāng)滿(mǎn)足方程式1時(shí)，就會(huì)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(dǎo)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(dòng)電路阻尼比 ζ

方程式3:

驅(qū)動(dòng)電路的阻尼比ζ=0,稱(chēng)無(wú)阻尼，系統(tǒng)無(wú)窮震蕩，不收斂;

ζ由0約接近1，收斂越快。ζ<1 稱(chēng)為欠阻尼，意味著系統(tǒng)存在超調(diào)且有震蕩，

ζ>1稱(chēng)為過(guò)阻尼，意味著系統(tǒng)不超調(diào);

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

ζ=1 柵極電阻R計(jì)算如方程式4，例如門(mén)極回路寄生電感為25nH,門(mén)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(dòng)電路的阻尼比ζ 不同對(duì)應(yīng)的柵源驅(qū)動(dòng)波形仿真圖

方程式4:

3-2 適當(dāng)提高M(jìn)OSFET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(guò)提高柵極內(nèi)部寄生電阻降低器件最高開(kāi)關(guān)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(dāng)降低低器件跨導(dǎo)gm

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

3-4 適當(dāng)提高器件閾值電壓

適當(dāng)提高閾值電壓可以緩解半橋或者全橋拓?fù)渲猩舷聵虮壑蓖ǜ怕省?/p>

小結(jié)：主要介紹MOSFET 柵極振蕩引起問(wèn)題并深入分析了其中的原因。結(jié)合實(shí)際案例驗(yàn)證改善的方法。

審核編輯：湯梓紅