一文详解寄生参数对栅极震荡的影响

在现代电子电路设计和应用中，寄生参数是指那些并非设计者最初所期望的，但在电路或元器件中由于物理结构、材料特性或布局布线等因素而自然产生的非预期电气参数。这些参数虽然不是设计之初所考虑的，但它们对电路的性能和行为有着不可忽视的影响。在本次研究中，重点探讨寄生电感对栅极振荡的影响，同时通过实验来逐步验证。

在MOSFET、IGBT等功率器件中，寄生参数主要分为寄生电容，电阻，电感三方面，其中寄生电感的存在会对栅极振铃产生显著影响。其中，栅源极之间（焊引脚和键合线）的寄生电感L是导致栅极振铃的主要因素。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。此时，Vgs外部测量的电压主要由内部Cgs电压叠加栅源寄生电感（3-7nH）上感应电压。

图1 寄生参数模型

 

实验场景

 

为了测试器件内外GS电压差异，设计一组对比实验。通过开窗方式漏出芯片打线，采用接地环方式直接测试芯片GS两端（此处测量波形代表器件真实GS波形），同时用差分探头靠近器件的GS引脚处作为常规测试方法（MOS外部测量波形）。

图2 实验平台

 

对器件采取了开窗处理（如图3）在不损伤芯片的前提下，同时保证前后测试条件一致。

图3 开窗改造示意图

 

此时我们将G（栅极）和S（源极）引线暴露出来，并使用探针直接对打线和引脚处的波形进行测试。这种方法可以排除键合点位置的寄生干扰，同时可以最直观地展示出差异性。

图4 实际测试图

 

实验结果

 

测到开启波形如下：

外部测到的Vgs电压会在米勒平台处有13V左右的振幅，而内部的Vgs电压此时波动幅度非常小（轻微波动主要是电流和电压突变时电磁干扰影响）。

测到关断波形如下：

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。

 

总结

 

在米勒平台处振荡，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器件内部Vgs真实电压。

另外，由于此时器件工作在饱和区（米勒平台），内部Vgs的轻微变化都会使沟道饱和电流大幅度跳变。所以可以通过监测Ids或Ice电流是否出现大幅度波动来侧面反映器件内部的Vgs变化（因为内部真实Vgs往往没办法测量）。

此外，为了减少寄生电感对栅极振荡的影响，建议可以采取以下几种措施。

1、首先，优化电路设计是关键。合理设计电路布局和走线，减少寄生电容和寄生电感的产生。例如，采用短而粗的导线连接栅极和驱动电路，以降低寄生电感；在栅极和源极之间加入适当的去耦电容，以减小寄生电容的影响。

2、其次，选择合适的元器件也非常重要。通常我们需要选用寄生参数较小的元器件，如低寄生电容和低寄生电感的MOSFET等，这点在产品的规格书内都会有所体现。此外，增加阻尼元件也是抑制谐振和震荡的有效方法。在电路中增加阻尼电阻或阻尼电容等，以抑制谐振和震荡的产生。

3、优化驱动电路设计，确保栅极电压能够稳定、快速地变化，其中也包括PCB的绘制与铜箔的合理铺置。例如，采用合适的驱动电阻和驱动电流源，优化电路布局和布线，合理安排元器件的位置，减少信号传输路径上的干扰和损耗，采用合适的线宽、线距和走线方式，避免信号间的串扰和耦合。