在MOS開關(guān)過程中,容易發(fā)生柵極電壓震蕩,產(chǎn)生很高或很低的電壓尖峰,外部測(cè)量的Vgs值可能遠(yuǎn)超器件規(guī)格書容許的最大值。使用人員往往會(huì)擔(dān)心柵極應(yīng)力過大導(dǎo)致器件柵極損壞。
這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生在非開爾文引腳的器件(比如TO247-3),主要是源極(焊引腳和鍵合線)的寄生電感L導(dǎo)致。根據(jù)U=L*di/dt,開關(guān)速度快,即di/dt大, 則在源極引腳寄生電感上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓更大。Vgs外部測(cè)量電壓此時(shí)主要是內(nèi)部Cgs電壓疊加了S寄生電感(3-7nH)上感應(yīng)電壓。
通??焖伲ú煌?qū)動(dòng),不同電流下不一樣)關(guān)斷時(shí)di/dt 約5000-20000A/us.,即5-20A/ns。此時(shí)S引腳(3nH)感應(yīng)電壓約15-60V。
因?yàn)榇藭r(shí)MOS還處于米勒平臺(tái)階段, Vgs米勒平臺(tái)電壓約5-7V。所以外部測(cè)量電壓Vgs(外)則是米勒平臺(tái)電壓加S引腳感應(yīng)電壓,出現(xiàn)很高尖峰。
為了測(cè)試MOS內(nèi)外GS電壓差異,給MOS開窗漏出打線后從打線近芯片處焊接出GS(此處測(cè)量波形代表MOS真實(shí)GS波形),同時(shí)用差分探頭靠近MOS的GS引腳處代表常規(guī)測(cè)試方法(MOS外部測(cè)量波形)。對(duì)開關(guān)時(shí)內(nèi)外Vgs波形來對(duì)比實(shí)驗(yàn)。
改造開窗MOS和測(cè)試參考(1)
改造開窗MOS和測(cè)試參考(2)
測(cè)到MOS關(guān)斷波形如下:
外部測(cè)到的Vgs電壓會(huì)在Ids突然下降時(shí)有很大負(fù)壓尖峰(約20V)。而內(nèi)部的Vgs此時(shí)幾乎不變(輕微波動(dòng)主要是電流和電壓突變時(shí)電磁干擾影響)。
測(cè)到MOS打開波形如下:
外部測(cè)到的Vgs電壓會(huì)在Ids上升時(shí)有正向抬升,而反向恢復(fù)后沿,Ids下降時(shí)外部Vgs則同步下降。而內(nèi)部的Vgs此時(shí)幾乎不變(輕微波動(dòng)主要是電流和電壓突變時(shí)電磁干擾影響)。
總 結(jié)
在米勒平臺(tái)震蕩處,Vgs外部測(cè)量的很大尖峰電壓,是由源極引腳寄生電感在高di/dt時(shí)感應(yīng)電壓疊加到米勒平臺(tái)電壓上產(chǎn)生的。此時(shí)外部測(cè)量值也完全不代表MOS內(nèi)部Vgs真實(shí)電壓。外部測(cè)量電壓尖峰是didt突變大小的真實(shí)反映。
在此時(shí)實(shí)際Vds也會(huì)突變,通過Cgd電容給Cgs充電,所以此時(shí)的內(nèi)部真實(shí)的Vgs電壓也會(huì)由于Vds電壓突變而有所變化,理論極限變化值由因ΔVds變化導(dǎo)致的ΔQgd值和Cgs大小決定。比如ΔQgd 10nC,Cgs 10nF,則此時(shí)Vgs變化最大為1V。因此時(shí)MOS工作在飽和區(qū)(米勒平臺(tái)),內(nèi)部Vgs的輕微變化(比如變化0.5-1V),會(huì)導(dǎo)致溝道飽和電流大幅度跳變。因內(nèi)部真實(shí)Vgs往往沒辦法測(cè)量,可以通過測(cè)量Ids變化來反向評(píng)估內(nèi)部真實(shí)Vgs變化。(不同飽和電流對(duì)應(yīng)不同Vgs電壓,器件規(guī)格書里有輸出曲線)。
另外高壓器件工作時(shí)測(cè)量外部Vgs電壓也有難點(diǎn),因常見測(cè)量往往用差分探頭,需要關(guān)注差分探頭高頻下(往往需要100MHz時(shí))共模抑制性能,共模抑制性能差的測(cè)不準(zhǔn)外部的Vgs電壓。所以用光隔離探頭是比較理想的測(cè)外部Vgs電壓的手段。