解析功率MOSFET并聯產生寄生振蕩的原因與解決方法

功率mosfet

功率MOS場效應晶體管，即MOSFET，其原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金屬氧化物半導體），FET（Field Effect Transistor場效應晶體管），即以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。

功率mosfet工作原理及其他詳解

截止：漏源極間加正電源，柵源極間電壓為零。P基區與N漂移區之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。

導電：在柵源極間加正電壓UGS，柵極是絕緣的，所以不會有柵極電流流過。但柵極的正電壓會將其下面P區中的空穴推開，而將P區中的少子—電子吸引到柵極下面的P區表面

當UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區表面的電子濃度將超過空穴濃度，使P型半導體反型成N型而成為反型層，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。

功率MOS管即功率MOSFET，具有熱漂移小，驅動電路簡單，驅動功率小，開關速度快，工作頻率高等優點。憑借出色的熱穩定性，將多個功率MOSFET并聯的方法可行而簡單，這對提高輸出電流非常有意義。

事實上，MOSFET工作于高頻率開關狀態，任何電氣特性差異和電路雜散電感均可導致瞬時電壓峰值，以及并聯MOSFET之間的電流分配不平衡。這是非常有害的，因為電流不平衡可能導致功率損耗過大并損壞器件。

并聯MOSFET（左）及寄生振蕩狀態的等效電路（右）

并聯連接時，最重要的是避免電流集中（包括在開關轉換期間），并確保在所有可能的負載條件下，流向所有MOSFET的電流保持平衡且均勻。應特別注意以下方面：

(1) 因器件特性不匹配（并聯運行）導致的電流不平衡。

(2) 寄生振蕩（并聯運行）。

器件不匹配導致的電流不平衡

（1）穩態運行中的電流不平衡

在非開關期間，按照與并聯MOSFET的導通電阻成反比的方式為其分配電流。導通電阻最低的MOSFET將承載最高的電流。導通電阻的正溫度系數通常會為電流不平衡提供補償，使通過各個 MOSFET的電流相等。

因此，認為并聯MOSFET在穩態情況下很少出現熱擊穿。MOSFET體二極管中壓降的溫度系數非正值。因此，并聯MOSFET在其體二極管處于導通時，可能使穩態電流的分配出現大幅不平衡現象。但事實上，MOSFET的體二極管在通過電流時，MOSFET的溫度升高。所以，當其導通電阻增大時，其流過的電流就會減小。因此，穩態電流中的不平衡很少會造成問題。

（2）開關轉換期間的電流不平衡

一般來說，開通和關斷開關轉換期間會出現電流不平衡現象。這是由于并聯功率MOSFET之間的開關時間差異所致。開關時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，開通時間越快；Vth值越大，關斷時間越快。因此，當電流集中在Vth較小的MOSFET中時，開通和關斷期間都會發生電流不平衡現象。這種電流不平衡會對器件施加過高的負載，并引發故障。并聯連接時，為了減少瞬態開關期間的開關時間差異，最好使用Vth接近的功率MOSFET。對于跨導gm較高的MOSFET，開關時間也會更快。

此外，如果并聯MOSFET在其互連線路中的雜散電感不同，電路接線布局也是開關轉換期間引發電流不平衡的一個原因。尤其是源極電感會影響柵極驅動電壓。最好使并聯MOSFET之間的互連線路長度相等。

并聯運行的寄生振蕩

（1）因漏源電壓振蕩導致的柵極電壓振蕩

開關期間MOSFET的漏極端子和源極端子中會發生浪涌電壓VSurge，主要是因為關斷期間的di/dt和漏極端子及引線中的雜散電感（Ld）。如果VSurge導致的振蕩電壓通過MOSFET漏柵電容Cgd傳輸到柵極，就會與柵極線路的雜散電感L形成諧振電路。

高電流、高速MOSFET的內部柵極電阻極小。在無外部柵極電阻器的情況下，該諧振電路的品質因數會很大。如果發生諧振，諧振電路會在MOSFET的柵極端子和源極端子中產生很大的振蕩電壓，導致發生寄生振蕩。

除非并聯MOSFET的瞬態開關電流在關斷期間平衡良好，否則電流會不均勻地分配到之后關斷的MOSFET。該電流在漏極端子和源極端子中產生很大的電壓浪涌（振蕩），而電壓浪涌又傳遞到柵極，導致柵極端子和源極端子中產生振蕩電壓。如振蕩電壓過大，會導致發生柵源過電壓故障、開通故障或振蕩故障。

當最快的MOSFET關斷時，其漏極電壓上升。漏極電壓的上升通過柵漏電容Cgd傳遞到另一個MOSFET的柵極端子，導致MOSFET發生意外運轉，造成寄生振蕩。此外，并聯MOSFET共用一個低阻抗路徑，因此也很容易發生寄生振蕩。

（2）并聯MOSFET的寄生振蕩

一般來說，并聯MOSFET比單個MOSFET更易發生寄生振蕩。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的結電容導致的。

不過，寄生振蕩的發生與漏源負載、續流二極管、電源、共用柵極電阻器和柵極驅動電路無關。換句話說，可忽略續流二極管和串聯電阻器（如電容器的等效串聯電阻器）的導通電阻。因此，并聯MOSFET形成了具有高品質因數的諧振電路，由于具有高增益的反饋環路，該諧振電路極易發生振蕩。

MOSFET寄生振蕩的預防

并聯MOSFET的諧振電路由寄生電感和寄生電容組成（取決于其頻率）。

要避免發生寄生振蕩，首先選擇MOSFET時要求Cds/Cgs比值較低，gm值較小，這樣就不容易發生振蕩。

為每個MOSFET插入一個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防止發生寄生振蕩，這里有兩種方法：

（1）為每個MOSFET的柵極插入一個柵極電阻器R1或一個鐵氧體磁珠，這樣可減小諧振電路的品質因數，從而減小正反饋環路的增益。實驗證實，為并聯的每個MOSFET插入串聯柵極電阻器可以有效防止發生寄生振蕩。

（2）在MOSFET的柵極和源極之間添加一個陶瓷電容器。

在MOSFET柵極和源極之間添加陶瓷電容器能預防寄生振蕩

上述方法中，gm值較小的MOSFET價格會稍高，其他兩種方法可由用戶自行優化。不過，柵極電阻器會影響MOSFET的開關速度，電阻值會導致開關損耗增大；在柵極和源極之間添加電容器時應小心，電容器種類和容值選擇不當會產生反作用。

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