使用功率MOSFET常见的一些问题（二）

1.栅源电压瞬变
2.安全工作区
3.感应导通和击穿
- 3.1 如何避免感应导通

1.栅源电压瞬变

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过大的电压瞬态会穿透薄栅源氧化层，造成永久性损坏。不幸的是，这种瞬态在电源开关电路中产生，并
且可以耦合到敏感的 MOSFET 栅极输入端。测试时应当仔细查看栅极驱动波形，以确保不存在超出器件限制的正负瞬态（功率 MOSFET 通常为 +/-20 V，但应在数据手册上确认）。

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在栅极驱动的导通或关断操作期间，当器件从导通状态转换至关断状态时会产生高 dVDS/dt，反之亦然。考虑到栅极、源极和漏极引线中存在寄生电感，以及 MOSFET CGD（米勒电容），可以理解的是，这些寄生参数的组合会在栅极和源极之间产生瞬态电压。

幸运的是，栅极电容 CGS 可以减轻这种影响。

CGS/CGD 的比率必须尽可能高，以尽量减少漏源电压耦合。优化 PCB 布局以尽可能减少寄生电感也很重要。
在某些情况下，设计人员会添加小栅源电容来帮助减少这些尖峰，尽管这也会减缓 MOSFET 的开关速度。

CGS 和 CGD 值取决于电压，因此通常不会直接引用 MOSFET 数据表中的值。更方便的是查看相关的电荷值QGD 和 QGS。

电荷比通常表示为：QGD/QGS 或QGD/QGS(TH)，较低的值意味着器件不太容易受到通过 CGD 耦合的
感应导通的影响。

2.安全工作区

现代功率 MOSFET 的发展聚焦在在具有超低RDS(on) 的快速开关上，因此减小管芯面积已成为发展趋势。因此，特定 RDS(on) 器件的功率承载能力普遍下降，特别是在线性工作模式下（在饱和区）。

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在设计功率MOSFET（或任何其他类型的功率晶体管）时，必须密切关注 SOA 图，并确保该器件永远不会在所定义的极限线之外工作。如果超出了这些限制，可靠的设计是不可能实现的！

在某些应用中，会在饱和区内持续工作一段时间，例如浪涌电流限制或“热插拔”。在这些情况下，必须特别注意所需脉冲持续时间的 SOA 限制，以确保绝不会超过这些限制。

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在典型的开关应用中，SOA 不容忽视，因为器件在每个开关周期都会通过饱和区，除非是零电压或零电流开关转换。这些转换发生得很快，因此在规定的条件下， MOSFET 可以承受更高的电流脉冲。但是，建议检查是否在 SOA 限制范围内工作。

重要的是要记住，当减慢 MOSFET 的导通或关断速度以减少 EMI 或关断瞬态时，饱和区的工作时间会增加。

那么功率MOSFET的SOA曲线如何得到的，可以用来作为设计的安全标准吗？

任何一家公司的SOA曲线上，主要有3部分组成：电阻限制区、几条由脉冲功率限制的电流电压直线和最大电压直线。最大电压值就是数据表中的额定值。几条由脉冲功率限制的电流电压直线，实际上是计算值，就是基于数据表中的瞬态热阻、导通电阻以及最大的允许结温计算得到的，而且都是基于TC=25度，TC代表的是封装裸露铜皮的温度，在实际应用中，TC的温度远高于25度，因此，SOA曲线是不能用来作为设计的验证标准。

3.感应导通和击穿

应导通是 MOSFET 用于快速开关应用时发生的一种现象，当器件处于关断状态时，漏极处会出现高dVDS/dt 转换。这通常发生在硬开关应用中，如开关电源和电机驱动逆变器，其中两个 MOSFET 用于半桥配置。

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高侧和低侧 MOSFET 交替导通和关断，在一个器件的关断和另一个器件的导通之间留有很短的死区时间，以防止交叠，从而避免产生非常高的电流脉冲。在低侧 MOSFET 关断时，死区时间结束后，高侧导通。当这种情况发生时，HB 节点会从零伏状态快速转换到 VBUS。

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上图显示了“C.dv/dt”如何使电流脉冲通过 CGD 耦合至栅极，栅极电压通过 RG(EXT) 将其拉至零伏状态。该电流脉冲可以在栅极处引起电压尖峰。重要的是要记住，MOSFET 也可能具有很大的内部栅极电阻 RG(INT)，因此出现在晶圆上的感应栅极尖峰可能比在栅极端子处观察到的尖峰大。

如果感应尖峰超过了 MOSFET VTH，则在高侧MOSFET 完全关断之前，器件将短暂部分导通。当两个器件都部分导通时，高电流会流过半桥，这可能会超出 SOA 限制并损坏一个或两个器件。

3.1 如何避免感应导通

MOSFET 具有较高 CGS/CGD，则意味着 QGD/QGS 和 QGD/QGS(TH)较低，更不易受到漏源电压耦合的影响。

对于硬开关应用，建议使用 0.5 到 0.8 的 QGD/QGS 和小于 1.0 的 QGD/QGS(TH) 。

应该注意的是，较低的QGD/QGS 器件可能会在栅极出现较大的振铃，但这取决于 RG(INT) 值和电路回路电感。

感应导通可以通过减缓开关转换速度来降低，从而降低 dv/dt。这可以通过增加 Rg_on 来减缓高侧器件的导通速度来实现。根据电路开关特性，高侧和低侧栅极驱动网络可能相同，也可能不同。降低导通速度也会降低辐射 EMI，但也会增加开关损耗，因此需要谨慎考虑权衡取舍。

减少感应导通的另一种方法是使用“关断快于导通”类型的栅极驱动网络，该网络包括二极管和电阻器，以支持栅极强下拉功能，同时支持较慢的导通。这种方法在关断状态下效果很好，但也会导致快速关断，这往往会产生更高的漏极瞬态电压，此电压有引起雪崩的风险——这是在设计期间需要考虑的另一个平衡。

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关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压快速泄放，保证开关管能快速关断。为使栅源极间电容电压的快速泄放，常在驱动电阻上并联一个电阻和一个二极管，如图所示，其中D1常用的是快恢复二极管。这使关断时间减小，同时减小关断时的损耗。Rg2是防止关断的时电流过大，把电源IC给烧掉。