MOSFET 驱动振荡那些事

MOSFET作为栅极电压控制器件，栅源极驱动电压的振荡会极大的影响器件和电源转换器的可靠性，实际应用中严重的栅极振荡还可能会引起器件或电路异常失效。

那引起MOSFET栅源振荡的原因是什么？有没有办法消除？本文将从工程师日常笔记，来分析功率MOSFET的GS寄生振荡和振铃的原因与改善措施，以及器件外围驱动参数和器件本身的优化。

图1MOSFET栅源控制示意图

MOSFET栅极振荡危害

1-1导致EMI裕量不足

下图2，图3是在一款50WLED电源测试不同MOSFET波形和EMI辐射测试图。

图2VGS振荡轻微的波形及辐射测试图

图3VGS振荡验证的波形及辐射测试图

由图2、图3可知，振荡轻微的EMI辐射裕量高出约6dB。

1-2动态负载切换振荡严重导致器件失效

在某款电源动态测试时发现异常比例偏高，经过仔细测试分析发现该电源主开关管存在严重振荡现象如下图4。图4、图6中通道1是MOSFETVGS栅源驱动电压波形。图4中发现MOSFET出现反复的开通和关断。

通过进一步对异常导致失效的样品进行Decap观察，发现芯片表面栅极压焊点存在较明显烧伤。通过应用端分析，导致栅极振荡是电源在动态负载切换时，MOSFET存在较大的电流应力且电流变化较快。经过应用端PCB布局调整优化等措施后，减小动态负载切换MOSFET电流应力，VGS振荡明显改善。

图4电源动态测试VGS栅源振荡严重

图5振荡严重引起失效品Decap

图6PCB布局调整优化后VGS波形

MOSFET栅极振荡机制分析

MOSFET振荡和振铃的主要原因如下：

2-1振荡电路的形成

振荡网络形成在电路中，并导致MOSFET的寄生振荡。

振荡的条件是：

a.相位条件

b.振幅条件

2-2漏极和源极之间的浪涌电压

2-3源电感

关断期间由漏极-源极电流的di/dt以及源极引线和导线杂散电感所感应的电压可能导致MOSFET的栅极-源极环路进入LCR谐振状态。

功率MOSFET易受寄生影响振荡：

a.负载短路时；

b.在gm变大的瞬态切换期间。

图8两种型号MOSFET跨导对比

图9型号1264V短路启动

图10型号2264V短路启动

从图9,10可以看出跨导较小的器件型号2，短路启动VDS漏源电压最大752V，而跨导较大的器件VDS漏源电压最大848V.

图11Colpitts振荡器等效电路图

Colpitts振荡器寄生振荡的条件表示为：

方程式1:gm≥（Cgs/Cds）/R3

R3是漏源电阻

当满足方程式1时，就会发生寄生振荡。

图12Hartley振荡器等效电路图

哈特莱Harltey振荡器寄生振荡的条件表示为

方程式2：

图12中，L1是漏源端寄生电感，L3是栅源端寄生电感。L3越大，L1/L3比值越小，越容易导致振荡。也就是L3寄生栅源电感越大，越容易振荡。

如何抑制或缓解栅源振荡

3-1调整驱动电路阻尼比ζ

方程式3:

驱动电路的阻尼比ζ=0,称无阻尼，系统无穷震荡，不收敛；

ζ由0约接近1，收敛越快。ζ＜1称为欠阻尼，意味着系统存在超调且有震荡，

ζ＞1称为过阻尼，意味着系统不超调；

ζ=1称为临界阻尼，意味着系统不超调，且以最短时间恢复平衡状态或者稳定状态。

ζ=1栅极电阻R计算如方程式4，例如门极回路寄生电感为25nH,门极等效电容为1nf,则临界电阻值是10Ω.L寄生电感越大，临界电阻值越大。

图13驱动电路的阻尼比ζ

不同对应的栅源驱动波形仿真图

方程式4:

3-2适当提高MOSFET内部寄生电阻

Rgint.

Rgint不是越高越好

图14MOSFET寄生参数模型

3-3适当降低低器件跨导gm

由方程式2：gm≥（Cgs/Cds）/R3，可知，适当降低低器件跨导gm，使器件参数不能满足方程式2，这样也就达不到振荡条件。

3-4适当提高器件阈值电压

适当提高阈值电压可以缓解半桥或者全桥拓扑中上下桥臂直通概率。

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