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1 MOSFET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50W LED电源测试不同MOSFET波形和EMI辐射测试图。
图2 VGS 振荡轻微的波形及辐射测试图
图3 VGS 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MOSFET VGS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6 PCB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
从输出到输入的反馈信号与输入信号在振荡频率上同相。（正反馈回路）
b.振幅条件
由电路中的无源元件引起的损耗低于放大器获得的增益。当电路具有正反馈并提供补偿损耗的增益时，就会发生振荡。
图7 反馈网络示意图
v2=AHv1, Go＝v2/v1=AH 当AH为正时，将创建一个正反馈环路；当AH为负时，将创建一个负反馈环路。当正反馈环路的增益AH为1或更大时，它将变得不稳定并振荡。
2-2 漏极和源极之间的浪涌电压
关断期间，漏极和源极之间的振铃电压可能返回到栅极，通过栅极-漏极电容Cgd的正反馈环路连接到栅极端，并导致栅极电压振荡。
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具有较大的跨导gm和寄生电容。因此，导线和其他杂散电感（栅极，源极和漏极电路之间以及相关互连中的电感）可能会形成正反馈电路，从而导致寄生振荡。振荡电压可能会在正反馈环路和栅极上产生电压过冲，从而导致MOSFET永久损坏。
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。
由于MOSFET工作在线性模式（即同时应用Vds和Id），因此可以通过电磁感应，寄生电容和其他因素形成正反馈路径。gm高的MOSFET的环路增益为1或更大时，就会进入寄生振荡。
图8 两种型号MOSFET 跨导 对比
图9 型号1 264V短路启动
图10 型号2 264V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.
2-4 MOSFET 反馈环
图11 Colpitts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12 Hartley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14 MOSFET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。