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Why用超级结MOSFET时栅极会振荡？如何解决？

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本文接着上一篇：《如何调整PCB布局？降低超级结MOSFET辐射、提高效率》，继续讲解为什么使用超级结MOSFET时栅极会发生振荡？

因为MOSFET是单极性器件，因此寄生电容是开关瞬态唯一的限制因素。电荷平衡原理降低了特定面积的导通电阻，而且，与标准MOSFET技术相比，相同RDS(ON)下的芯片尺寸更小。图1显示超级结MOSFET和标准平面型MOSFET的电容。标准MOSFET的Coss为中度线性变化关系，而超级结MOSFET的Coss曲线呈现高度非线性关系。因为单元密度较高，超级结MOSFET的Coss初始值较高，但超级结MOSFET中，在约50V漏源电压附近，Coss会迅速下降，如图1所示。当使用超级结MOSFET应用到PFC或DC/DC转换器时，这些非线性效应可能造成电压和电流振荡。图2显示简化的PFC电路示意图，包括功率MOSFET内部寄生元件和外部振荡电路，外部振荡电路包含由布板带来的外部耦合电容Cgd_ext.）。

平面型MOSFET和超级结MOSFET输出电容的比较

图1. 平面型MOSFET和超级结MOSFET输出电容的比较

一般来说，有多个振荡电路会影响MOSFET的开关特性，包括内部和外部振荡电路。在图2的PFC电路中，L、Co和Dboost分别是电感、输出电容和升压二极管。Cgs、Cgd_int和Cds是功率MOSFET的寄生电容。Ld1、Ls1和Lg1是功率MOSFET的漏极、源极和栅极邦定线以及引脚电感。Rg_int和Rg_ext是功率MOSFET的内部栅极电阻和电路的外部栅极驱动电阻。Cgd_ext是电路的寄生栅极-漏极电容。LD、LS和LG是印刷电路板(PCB)的漏极、源极和栅极走线杂散电感。当MOSFET打开或关闭时，栅极寄生振荡通过栅极-漏极电容Cgd和栅极引线电感Lg1在谐振电路内发生。

包含功率MOSFET内外部寄生元件的PFC电路简图

图2.包含功率MOSFET内外部寄生元件的PFC电路简图

在谐振条件(ωL = 1/ωC)下，栅极和源极电压中生成的震荡电压远大于驱动电压。因谐振变化而产生的电压振荡与品质因数成正比， Q(=ωL/R = 1/ωCR)。当MOSFET关闭时，漏极寄生电感(LD + Ld1)、栅极-漏极电容Cgd和栅极引线电感Lg1网络造成栅极振荡电压。如果栅极电阻 (RG-ext.+Rg_int.)极小，则Q变大。另外，LS两端的压降和Ls1源极杂散电感在栅极-源极电压中产生振荡，可用表达式(1)表示。寄生振荡可能造成栅源极击穿、不良EMI、较大开关损耗、栅极控制失效，甚至可能造成MOSFET故障。