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技术分享 | 栅极米勒平台震荡时电压应力分析

发布时间：2025-01-05

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。

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