驱动明明只有12V,MOS栅极怎么会冒出-4V?
有些MOS管波形第一次看会挺吓人。
驱动电源明明就是12V,关断时Vgs却往0V下面扎,-2V、-4V都有可能看到。
继续放大时间轴,还会发现它不是一个干净的负脉冲,而是带着几下振铃。
先别急着换Driver。这个现象在开关速度快、功率回路di/dt大的板子上并不少见。
示波器上看的Vgs,本质是Gate相对Source的电压。
如果MOSFET Source到Driver GND之间有寄生电感,开关瞬间的大di/dt会在这段电感上产生电压。Source电位一跳,Vgs就会跟着变。
TI把这类现象称为Ground Bounce。Infineon的MOSFET驱动资料里也专门把Common Source Inductance列出来:功率电流和Gate Return共用一段Source路径时,这段寄生电感会直接进入栅极驱动回路。
所以Driver输出脚可能没有负4V,但MOSFET芯片真正看到的Gate-to-Source电压,完全可能出现负向瞬态。
MOSFET内部有Cgd,也就是常说的Miller电容。
开通、关断时Vds快速变化,dv/dt会通过Cgd把电流耦合到Gate。Gate回路如果阻抗高、回路又长,这股瞬态电流就容易把Vgs拉出尖峰或振铃。
Infineon在Vgs ringing资料里把两个来源说得很清楚:一类是Gate回路寄生L和C形成谐振,另一类就是Vds通过Cgd反馈到Gate。
这也是为什么同一颗MOS,换了Layout、换了Gate电阻,Vgs波形可能完全不一样。
图2:实测Vgs与Vds同时振铃,说明Gate波形和功率回路寄生不是互相独立的。
测Gate波形最忌讳长接地夹。
长地线本身就有电感,几十MHz甚至更高频的开关瞬态一来,它会把本来不存在或没那么大的尖峰叠到波形上。
测Vgs时,探头的地要尽量直接落在MOSFET Source附近,最好用Ground Spring、同轴引出或者差分探头。别把探头地夹在Driver地上、信号却测在MOS Gate上,中间那段Source铜皮正好就是你最想排除的变量。
如果换成更短的测量回路后负压明显变小,先别动电路,说明测量方式已经参与了问题。
图3:Kelvin Source把功率Source电感隔离出Gate Drive Loop,可明显减小公共源极电感影响。
第一件事是缩小Gate Drive Loop:Driver到Gate短,Gate Return回到Kelvin Source也短。
器件有Kelvin Source脚时尽量用起来,把Gate回流和大电流Source回路分开。
然后再调Gate Resistor。Rg增大通常能增加阻尼、压振铃,但代价是开关变慢、损耗上升,所以不能一味加大。
最后一定要回头看MOSFET Datasheet里的Vgs Absolute Maximum,尤其是允许的负压范围。不同Si MOS、SiC MOS的要求不一样。
看到Vgs负压,先判断它从哪里来,再决定是改Layout、改Rg还是改测量方式。直接把负压理解成Driver异常,往往会绕远。
图4:开关节点的快速dv/dt可以通过Cgd耦合回Gate,形成寄生开通或Gate尖峰。
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