功率MOSFET并聯(lián)產(chǎn)生寄生振蕩的原因與解決方法詳解

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），F(xiàn)ET（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(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結(jié)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(qū)中的空穴推開，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UGS大于UT（開啟電壓或閾值電壓）時，柵極下P區(qū)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(jié)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(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小，開關速度快，工作頻率高等優(yōu)點。憑借出色的熱穩(wěn)定性，將多個功率MOSFET并聯(lián)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(tài)，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(lián)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(lián)MOSFET（左）及寄生振蕩狀態(tài)的等效電路（右）

并聯(lián)連接時，最重要的是避免電流集中（包括在開關轉(zhuǎn)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(lián)運行）導致的電流不平衡。

(2) 寄生振蕩（并聯(lián)運行）。

器件不匹配導致的電流不平衡

（1）穩(wěn)態(tài)運行中的電流不平衡

在非開關期間，按照與并聯(lián)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(shù)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(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通時，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(wěn)態(tài)電流中的不平衡很少會造成問題。

（2）開關轉(zhuǎn)換期間的電流不平衡

一般來說，開通和關斷開關轉(zhuǎn)換期間會出現(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(fā)生電流不平衡現(xiàn)象。這種電流不平衡會對器件施加過高的負載，并引發(fā)故障。并聯(lián)連接時，為了減少瞬態(tài)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(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關轉(zhuǎn)換期間引發(fā)電流不平衡的一個原因。尤其是源極電感會影響柵極驅(qū)動電壓。最好使并聯(lián)MOSFET之間的互連線路長度相等。

并聯(lián)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(fā)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?shù)綎艠O，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(nèi)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(zhì)因數(shù)會很大。如果發(fā)生諧振，諧振電路會在MOSFET的柵極端子和源極端子中產(chǎn)生很大的振蕩電壓，導致發(fā)生寄生振蕩。

除非并聯(lián)MOSFET的瞬態(tài)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(chǎn)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(chǎn)生振蕩電壓。如振蕩電壓過大，會導致發(fā)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(fā)生意外運轉(zhuǎn)，造成寄生振蕩。此外，并聯(lián)MOSFET共用一個低阻抗路徑，因此也很容易發(fā)生寄生振蕩。

（2）并聯(lián)MOSFET的寄生振蕩

一般來說，并聯(lián)MOSFET比單個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)電容導致的。

不過，寄生振蕩的發(fā)生與漏源負載、續(xù)流二極管、電源、共用柵極電阻器和柵極驅(qū)動電路無關。換句話說，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。

MOSFET寄生振蕩的預防

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(fā)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(zhì)因數(shù)，從而減小正反饋環(huán)路的增益。實驗證實，為并聯(lián)的每個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(yōu)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(chǎn)生反作用。