解析功率MOSFET并聯(lián)產(chǎn)生寄生振蕩的原因與解決方法-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2020-05-28
功率MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導(dǎo)體），F(xiàn)ET（Field Effect Transistor場(chǎng)效應(yīng)晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場(chǎng)的效應(yīng)來(lái)控制半導(dǎo)體（S）的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。
截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)J1反偏，漏源極之間無(wú)電流流過(guò)。
導(dǎo)電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會(huì)有柵極電流流過(guò)。但柵極的正電壓會(huì)將其下面P區(qū)中的空穴推開(kāi)，而將P區(qū)中的少子—電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面
當(dāng)UGS大于UT（開(kāi)啟電壓或閾值電壓）時(shí)，柵極下P區(qū)表面的電子濃度將超過(guò)空穴濃度，使P型半導(dǎo)體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結(jié)J1消失，漏極和源極導(dǎo)電。
功率MOS管即功率MOSFET，具有熱漂移小，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小，開(kāi)關(guān)速度快，工作頻率高等優(yōu)點(diǎn)。憑借出色的熱穩(wěn)定性，將多個(gè)功率MOSFET并聯(lián)的方法可行而簡(jiǎn)單，這對(duì)提高輸出電流非常有意義。
事實(shí)上，MOSFET工作于高頻率開(kāi)關(guān)狀態(tài)，任何電氣特性差異和電路雜散電感均可導(dǎo)致瞬時(shí)電壓峰值，以及并聯(lián)MOSFET之間的電流分配不平衡。這是非常有害的，因?yàn)殡娏鞑黄胶饪赡軐?dǎo)致功率損耗過(guò)大并損壞器件。
并聯(lián)MOSFET（左）及寄生振蕩狀態(tài)的等效電路（右）
并聯(lián)連接時(shí)，最重要的是避免電流集中（包括在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間），并確保在所有可能的負(fù)載條件下，流向所有MOSFET的電流保持平衡且均勻。應(yīng)特別注意以下方面：
(1) 因器件特性不匹配（并聯(lián)運(yùn)行）導(dǎo)致的電流不平衡。
(2) 寄生振蕩（并聯(lián)運(yùn)行）。
（1）穩(wěn)態(tài)運(yùn)行中的電流不平衡
在非開(kāi)關(guān)期間，按照與并聯(lián)MOSFET的導(dǎo)通電阻成反比的方式為其分配電流。導(dǎo)通電阻最低的MOSFET將承載最高的電流。導(dǎo)通電阻的正溫度系數(shù)通常會(huì)為電流不平衡提供補(bǔ)償，使通過(guò)各個(gè) MOSFET的電流相等。
因此，認(rèn)為并聯(lián)MOSFET在穩(wěn)態(tài)情況下很少出現(xiàn)熱擊穿。MOSFET體二極管中壓降的溫度系數(shù)非正值。因此，并聯(lián)MOSFET在其體二極管處于導(dǎo)通時(shí)，可能使穩(wěn)態(tài)電流的分配出現(xiàn)大幅不平衡現(xiàn)象。但事實(shí)上，MOSFET的體二極管在通過(guò)電流時(shí)，MOSFET的溫度升高。所以，當(dāng)其導(dǎo)通電阻增大時(shí)，其流過(guò)的電流就會(huì)減小。因此，穩(wěn)態(tài)電流中的不平衡很少會(huì)造成問(wèn)題。
（2）開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間的電流不平衡
一般來(lái)說(shuō)，開(kāi)通和關(guān)斷開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間會(huì)出現(xiàn)電流不平衡現(xiàn)象。這是由于并聯(lián)功率MOSFET之間的開(kāi)關(guān)時(shí)間差異所致。開(kāi)關(guān)時(shí)間的差異很大程度上取決于柵源閾值電壓Vth的值。即Vth值越小，開(kāi)通時(shí)間越快；Vth值越大，關(guān)斷時(shí)間越快。因此，當(dāng)電流集中在Vth較小的MOSFET中時(shí)，開(kāi)通和關(guān)斷期間都會(huì)發(fā)生電流不平衡現(xiàn)象。這種電流不平衡會(huì)對(duì)器件施加過(guò)高的負(fù)載，并引發(fā)故障。并聯(lián)連接時(shí)，為了減少瞬態(tài)開(kāi)關(guān)期間的開(kāi)關(guān)時(shí)間差異，最好使用Vth接近的功率MOSFET。對(duì)于跨導(dǎo)gm較高的MOSFET，開(kāi)關(guān)時(shí)間也會(huì)更快。
此外，如果并聯(lián)MOSFET在其互連線路中的雜散電感不同，電路接線布局也是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間引發(fā)電流不平衡的一個(gè)原因。尤其是源極電感會(huì)影響柵極驅(qū)動(dòng)電壓。最好使并聯(lián)MOSFET之間的互連線路長(zhǎng)度相等。
（1）因漏源電壓振蕩導(dǎo)致的柵極電壓振蕩
開(kāi)關(guān)期間MOSFET的漏極端子和源極端子中會(huì)發(fā)生浪涌電壓VSurge，主要是因?yàn)殛P(guān)斷期間的di/dt和漏極端子及引線中的雜散電感（Ld）。如果VSurge導(dǎo)致的振蕩電壓通過(guò)MOSFET漏柵電容Cgd傳輸?shù)綎艠O，就會(huì)與柵極線路的雜散電感L形成諧振電路。
高電流、高速M(fèi)OSFET的內(nèi)部柵極電阻極小。在無(wú)外部柵極電阻器的情況下，該諧振電路的品質(zhì)因數(shù)會(huì)很大。如果發(fā)生諧振，諧振電路會(huì)在MOSFET的柵極端子和源極端子中產(chǎn)生很大的振蕩電壓，導(dǎo)致發(fā)生寄生振蕩。
除非并聯(lián)MOSFET的瞬態(tài)開(kāi)關(guān)電流在關(guān)斷期間平衡良好，否則電流會(huì)不均勻地分配到之后關(guān)斷的MOSFET。該電流在漏極端子和源極端子中產(chǎn)生很大的電壓浪涌（振蕩），而電壓浪涌又傳遞到柵極，導(dǎo)致柵極端子和源極端子中產(chǎn)生振蕩電壓。如振蕩電壓過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致發(fā)生柵源過(guò)電壓故障、開(kāi)通故障或振蕩故障。
當(dāng)最快的MOSFET關(guān)斷時(shí)，其漏極電壓上升。漏極電壓的上升通過(guò)柵漏電容Cgd傳遞到另一個(gè)MOSFET的柵極端子，導(dǎo)致MOSFET發(fā)生意外運(yùn)轉(zhuǎn)，造成寄生振蕩。此外，并聯(lián)MOSFET共用一個(gè)低阻抗路徑，因此也很容易發(fā)生寄生振蕩。
（2）并聯(lián)MOSFET的寄生振蕩
一般來(lái)說(shuō)，并聯(lián)MOSFET比單個(gè)MOSFET更易發(fā)生寄生振蕩。這是由于漏極線路、源極線路、柵極線路、接合線和其它線路中的雜散電感，以及MOSFET的結(jié)電容導(dǎo)致的。
不過(guò)，寄生振蕩的發(fā)生與漏源負(fù)載、續(xù)流二極管、電源、共用柵極電阻器和柵極驅(qū)動(dòng)電路無(wú)關(guān)。換句話說(shuō)，可忽略續(xù)流二極管和串聯(lián)電阻器（如電容器的等效串聯(lián)電阻器）的導(dǎo)通電阻。因此，并聯(lián)MOSFET形成了具有高品質(zhì)因數(shù)的諧振電路，由于具有高增益的反饋環(huán)路，該諧振電路極易發(fā)生振蕩。
并聯(lián)MOSFET的諧振電路由寄生電感和寄生電容組成（取決于其頻率）。
要避免發(fā)生寄生振蕩，首先選擇MOSFET時(shí)要求Cds/Cgs比值較低，gm值較小，這樣就不容易發(fā)生振蕩。
為每個(gè)MOSFET插入一個(gè)柵極電阻器可減小諧振，除了器件本身屬性，也可以使用外部電路來(lái)防止發(fā)生寄生振蕩，這里有兩種方法：
（1）為每個(gè)MOSFET的柵極插入一個(gè)柵極電阻器R1或一個(gè)鐵氧體磁珠，這樣可減小諧振電路的品質(zhì)因數(shù)，從而減小正反饋環(huán)路的增益。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，為并聯(lián)的每個(gè)MOSFET插入串聯(lián)柵極電阻器可以有效防止發(fā)生寄生振蕩。
（2）在MOSFET的柵極和源極之間添加一個(gè)陶瓷電容器。
在MOSFET柵極和源極之間添加陶瓷電容器能預(yù)防寄生振蕩
上述方法中，gm值較小的MOSFET價(jià)格會(huì)稍高，其他兩種方法可由用戶(hù)自行優(yōu)化。不過(guò)，柵極電阻器會(huì)影響MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，電阻值會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增大；在柵極和源極之間添加電容器時(shí)應(yīng)小心，電容器種類(lèi)和容值選擇不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生反作用。
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