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產(chǎn)品知識

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工程師筆記 | MOSFET 驅(qū)動振蕩那些事

時間:2022-04-27       發(fā)布人:京柏微       點(diǎn)擊量:

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(shí)際應(yīng)用中嚴(yán)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

1、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(yàn)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(fù)載切換振蕩嚴(yán)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(xì)測試分析發(fā)現(xiàn)該電源主開關(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(jìn)一步對異常導(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。通過應(yīng)用端分析,導(dǎo)致柵極振蕩是電源在動態(tài)負(fù)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(fù)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(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

2、MOSFET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(dāng)電路具有正反饋并提供補(bǔ)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(dāng)AH為正時,將創(chuàng)建一個正反饋環(huán)路;當(dāng)AH為負(fù)時,將創(chuàng)建一個負(fù)反饋環(huán)路。當(dāng)正反饋環(huán)路的增益AH為1或更大時,它將變得不穩(wěn)定并振蕩。

  v2=AHv1, Go=v2/v1=AH 當(dāng)AH為正時,將創(chuàng)建一個正反饋環(huán)路;當(dāng)AH為負(fù)時,將創(chuàng)建一個負(fù)反饋環(huán)路。當(dāng)正反饋環(huán)路的增益AH為1或更大時,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(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(fù)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(jìn)入寄生振蕩。


圖8 兩種型號MOSFET 跨導(dǎo) 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(dǎo)較小的器件型號2,短路啟動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(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(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(yīng)的柵源驅(qū)動波形仿真圖

  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系列通過提高柵極內(nèi)部寄生電阻降低器件最高開關(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。

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