瑶芯微电子技术分享:栅极米勒平台震荡时电压应力分析

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在MOS开关过程中,容易发生栅极电压震荡,产生很高或很低的电压尖峰,外部测量的Vgs值可能远超器件规格书容许的最大值。使用人员往往会担心栅极应力过大导致器件栅极损坏。

这个现象发生在非开尔文引脚的器件(比如TO247-3),主要是源极(焊引脚和键合线)的寄生电感L导致。根据U=L*di/dt,开关速度快,即di/dt大, 则在源极引脚寄生电感上产生的感应电压更大。Vgs外部测量电压此时主要是内部Cgs电压叠加了S寄生电感(3-7nH)上感应电压。

通常快速(不同驱动,不同电流下不一样)关断时di/dt 约5000-20000A/us.,即5-20A/ns。此时S引脚(3nH)感应电压约15-60V。

因为此时MOS还处于米勒平台阶段, Vgs米勒平台电压约5-7V。所以外部测量电压Vgs(外)则是米勒平台电压加S引脚感应电压,出现很高尖峰。

为了测试MOS内外GS电压差异,给MOS开窗漏出打线后从打线近芯片处焊接出GS(此处测量波形代表MOS真实GS波形),同时用差分探头靠近MOS的GS引脚处代表常规测试方法(MOS外部测量波形)。对开关时内外Vgs波形来对比实验。

改造开窗MOS和测试参考(1)

改造开窗MOS和测试参考(2)

测到MOS关断波形如下:

外部测到的Vgs电压会在Ids突然下降时有很大负压尖峰(约20V)。而内部的Vgs此时几乎不变(轻微波动主要是电流和电压突变时电磁干扰影响)。

测到MOS打开波形如下:

外部测到的Vgs电压会在Ids上升时有正向抬升,而反向恢复后沿,Ids下降时外部Vgs则同步下降。而内部的Vgs此时几乎不变(轻微波动主要是电流和电压突变时电磁干扰影响)。

总 结

在米勒平台震荡处,Vgs外部测量的很大尖峰电压,是由源极引脚寄生电感在高di/dt时感应电压叠加到米勒平台电压上产生的。此时外部测量值也完全不代表MOS内部Vgs真实电压。外部测量电压尖峰是didt突变大小的真实反映。

在此时实际Vds也会突变,通过Cgd电容给Cgs充电,所以此时的内部真实的Vgs电压也会由于Vds电压突变而有所变化,理论极限变化值由因ΔVds变化导致的ΔQgd值和Cgs大小决定。比如ΔQgd 10nC,Cgs 10nF,则此时Vgs变化最大为1V。因此时MOS工作在饱和区(米勒平台),内部Vgs的轻微变化(比如变化0.5-1V),会导致沟道饱和电流大幅度跳变。因内部真实Vgs往往没办法测量,可以通过测量Ids变化来反向评估内部真实Vgs变化。(不同饱和电流对应不同Vgs电压,器件规格书里有输出曲线)。

另外高压器件工作时测量外部Vgs电压也有难点,因常见测量往往用差分探头,需要关注差分探头高频下(往往需要100MHz时)共模抑制性能,共模抑制性能差的测不准外部的Vgs电压。所以用光隔离探头是比较理想的测外部Vgs电压的手段。

责编: 爱集微
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