在現(xiàn)代開關(guān)電源設(shè)計中，MOS管(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)的振鈴現(xiàn)象是一個常見且復(fù)雜的問題。特別是在反激式電源等拓撲結(jié)構(gòu)中，MOS管在開關(guān)過程中可能出現(xiàn)兩次明顯的振鈴現(xiàn)象。這種現(xiàn)象不僅影響電路效率，還可能引發(fā)電磁干擾(EMI)超標、器件過熱甚至擊穿等問題。本文將深入探討MOS管兩次振鈴的成因、機理及解決方案，幫助工程師更好地理解和處理這一挑戰(zhàn)。

一、振鈴現(xiàn)象的成因與機理

1.1 基本概念

振鈴現(xiàn)象本質(zhì)上是寄生參數(shù)形成的LC諧振電路在開關(guān)動作時的阻尼振蕩。當MOS管在開通和關(guān)斷狀態(tài)間切換時，電流的快速變化(di/dt)會在寄生電感上感應(yīng)出高壓尖峰，與寄生電容相互作用，產(chǎn)生高頻振蕩。這種振蕩在波形上表現(xiàn)為電壓或電流的多次起伏，如同“鈴響”一般，故稱為振鈴。

1.2 寄生參數(shù)的影響

振鈴的主要成因包括：

?寄生電感?：PCB走線電感(每毫米約1nH)、MOS管封裝引線電感(TO-247封裝約10nH)以及變壓器漏感等，這些電感在電流突變時儲存能量。

?寄生電容?：MOS管輸出電容Coss(通常在100pF至1nF之間)、PCB分布電容以及續(xù)流二極管的結(jié)電容等，這些電容在電壓變化時充電放電。

?快速開關(guān)?：現(xiàn)代MOS管的開關(guān)速度極快(tr/tf可達10ns級)，導(dǎo)致di/dt輕易超過2A/ns，在50nH寄生電感上可感應(yīng)出100V以上的尖峰電壓。

1.3 阻尼比與振蕩條件

振鈴是否發(fā)生取決于阻尼比ζ = R/(2√(L/C))。當ζ < 1(欠阻尼)時，電路必然振蕩;ζ > 1(過阻尼)時，振蕩被抑制但響應(yīng)變慢。工程實踐中，通常將ζ調(diào)至0.7-1.0之間以平衡振蕩抑制和開關(guān)速度。

二、MOS管兩次振鈴的具體分析

2.1 第一次振鈴

第一次振鈴?fù)ǔ０l(fā)生在MOS管關(guān)斷的瞬間。此時，寄生電感(包括初次級間的漏電感、初級勵磁電感以及MOS管封裝電感之和)將能量傳遞給寄生電容(如MOS管的Coss和線路寄生電容)充電。充電結(jié)束后，寄生電容又釋放電能給寄生電感儲能，如此循環(huán)往復(fù)，形成第一次振鈴。

等效電路模型為一個LC諧振回路，其中L為上述寄生電感之和，C為寄生電容。振鈴的頻率由LC值決定，通常為高頻范圍。

2.2 第二次振鈴

第二次振鈴是開關(guān)電源斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)下特有的現(xiàn)象。在DCM模式下，當MOS管關(guān)斷時，次級反射電流在變壓器線圈換相期間會降至零。在反射電流消耗為零之前，次級線圈的輸出電壓高于實際輸出電壓;而當反射電流消耗為零時，次級線圈的輸出電壓降至零。這種電壓的突變會耦合到初級線圈，并在MOS管與線圈連接的開關(guān)節(jié)點處產(chǎn)生衰減振蕩，形成第二次振鈴。

與第一次振鈴不同，第二次振鈴的等效電路模型涉及變壓器的耦合特性，振鈴頻率通常較低，且與負載條件密切相關(guān)。

三、振鈴現(xiàn)象的危害

3.1 電磁干擾(EMI)超標

振鈴產(chǎn)生的高頻噪聲會通過空間輻射和傳導(dǎo)途徑傳播，導(dǎo)致EMI測試超標。這不僅可能影響其他電子設(shè)備的正常工作，還可能違反電磁兼容性(EMC)法規(guī)。

3.2 器件過熱與擊穿

振鈴產(chǎn)生的電壓尖峰可能超過MOS管的耐壓極限，導(dǎo)致器件擊穿。同時，頻繁的開關(guān)動作和振蕩會增加器件的開關(guān)損耗，引發(fā)過熱問題，縮短器件壽命。

3.3 動態(tài)負載切換失效

在動態(tài)負載切換時，MOS管可能面臨較大的電流應(yīng)力和快速變化的電流，導(dǎo)致振鈴現(xiàn)象加劇。嚴重時，可能引發(fā)柵極振蕩，使MOS管反復(fù)開通和關(guān)斷，最終導(dǎo)致器件燒毀。

四、解決方案與工程實踐

4.1 柵極側(cè)振鈴抑制

4.1.1 柵極串聯(lián)電阻(Rg)

在柵極驅(qū)動電路中串聯(lián)電阻是抑制振鈴最直接有效的方法。Rg與柵極寄生電感Lg、柵源電容Cgs組成RLC回路，通過增大Rg值提升阻尼比，抑制振蕩。

?取值原則?：Rg的下限應(yīng)保證驅(qū)動電流足夠，防止開通不足;上限應(yīng)避免開關(guān)過慢，增加開關(guān)損耗。推薦值通常為5-50Ω，可獨立調(diào)節(jié)開通與關(guān)斷電阻(Rg_off通常小于Rg_on)。

?工程實踐?：在48V/30A電機驅(qū)動中，將Rg從0Ω增至15Ω，柵極振蕩從3Vpp降至0.5Vpp，開關(guān)損耗僅增加5%，但EMI降低15dB。

4.1.2 柵源并聯(lián)電阻(Rgs)

在柵源極間并聯(lián)10kΩ-100kΩ電阻，為寄生電容提供放電回路，降低輸入阻抗，吸收振蕩能量。同時，確保MOS管在驅(qū)動懸空時可靠關(guān)斷。

4.1.3 柵源并聯(lián)電容(Cgs_ext)

在柵源極間并聯(lián)10-100pF小電容，吸收因dVDS/dt引起的柵漏電流，防止米勒效應(yīng)導(dǎo)致的誤導(dǎo)通和柵極擊穿。電容值不宜過大，以免增加驅(qū)動損耗。

4.1.4 柵極TVS/齊納保護

在柵源極間并聯(lián)TVS二極管或齊納管，抑制瞬態(tài)高壓，保護柵極免受擊穿。

4.2 漏極側(cè)振鈴抑制

4.2.1 優(yōu)化PCB布局

減小PCB走線寄生電感，使MOS管驅(qū)動線盡可能短，以降低振鈴幅度。同時，確保驅(qū)動芯片的旁路電容盡量靠近芯片引腳，減少走線電感對驅(qū)動信號的影響。

4.2.2 使用緩沖電路

在MOS管漏極與源極之間添加RC緩沖電路，吸收開關(guān)過程中的能量，抑制振鈴。緩沖電路的設(shè)計需根據(jù)具體應(yīng)用場景進行優(yōu)化。

4.3 變壓器設(shè)計優(yōu)化

對于涉及變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)(如反激式電源)，優(yōu)化變壓器設(shè)計以減少漏感和分布電容，從而降低振鈴現(xiàn)象。例如，采用三明治繞法等先進工藝，改善變壓器的電磁性能。

五、結(jié)論與展望

MOS管在開關(guān)過程中出現(xiàn)的兩次振鈴現(xiàn)象是一個復(fù)雜且多方面的問題，涉及寄生參數(shù)、電路拓撲和工作模式等多個因素。通過深入理解振鈴的成因和機理，并采取有效的抑制措施，如優(yōu)化柵極驅(qū)動電路、改進PCB布局和設(shè)計緩沖電路等，可以顯著降低振鈴現(xiàn)象對電路性能的影響。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，未來將有更多創(chuàng)新性的解決方案涌現(xiàn)，進一步提升開關(guān)電源的效率和可靠性。