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mos管门级驱动电阻计算


关于 MOSFET 驱动电阻的选择
等效驱动电路:

VC C 12V L DR IVE Rg Cgs Q

L 为 PCB 走线电感,根据他人经验其值为直走线 1nH/mm,考虑其他走线因素,取 L=Length+10(nH) ,其中 Length 单位取 mm。 Rg 为栅极驱动电阻,设驱动信号为 12V 峰值的方波。 Cgs

为 MOSFET 栅源极电容, 不同的管子及不同的驱动电压时会不一样, 这儿取 1nF。 VL+VRg+VCgs=12V ?? ? 令驱动电流 Id := C ? VCgs( t ) ? ? ?t ? ? ? 得到关于 Cgs 上的驱动电压微分方程:
? ? ?2 ? L C ? 2 VCgs( t ) ? + C ? VCgs( t ) ? R + VCgs( t ) ? Vdr = 0 ? ? ? ?t ? ? ?t ? ? ? ? ?

用拉普拉斯变换得到变换函数: G :=

Vdr 1 Rg S ? ? L C S ? S2 + + ? ? LC L ? ? ?

这是个 3 阶系统,当其极点为 3 个不同实根时是个过阻尼震荡,有两个相同实根时是 临界阻尼震荡,当有虚根时是欠阻尼震荡,此时会在 MOSFET 栅极产生上下震荡的波形, 这是我们不希望看到的,因此栅极电阻 Rg 阻值的选择要使其工作在临界阻尼和过阻尼状 态,考虑到参数误差实际上都是工作在过阻尼状态。 LC < Rg ,因此根据走线长度可以得到 Rg 最小取值范围。 根据以上得到 2 C 分别考虑 20m 长 m 和 70mm 长的走线: L20=30nH,L70=80nH, 则 Rg20=8.94Ω, Rg70=17.89Ω, 以下分别是电压电流波形:

驱动电压:

驱动电流:

可以看到当 Rg 比较小时驱动电压上冲会比较高,震荡比较多,L 越大越明显,此时 会对 MOSFET 及其他器件性能产生影响。但是阻值过大时驱动波形上升比较慢,当 MOSFET 有较大电流通过时会有不利影响。 此外也要看到,当 L 比较小时, 此时驱动电流的峰值比较大,而一般 IC 的驱动电流输出能力都是有一定 限制的,当实际驱动电流达到 IC 输 出的最大值时,此时 IC 输出相当于 一个恒流源,对 Cgs 线性充电,驱动 电压波形的上升率会变慢。电流曲线 就可能如左图所示(此时由于电流不 变,电感不起作用) 。这样可能会对 IC 的可靠性产生影响, 电压波形上升 段可能会产生一个小的台阶或毛刺。

一 般 IC 的 PWM OUT 输出如左图所示, VC C 内部集成了限流电阻 Rsource 和 Rsink,通常 Q1 Rsource>Rsink,具体数 PWM OUT 值大小同 IC 的峰值驱 Rsource 动输出能力有关,可以 Rg Drive 近似认为 R=Vcc/Ipeak。 Rsink 一般 IC 的驱动输出能 力在 0.5A 左右,因此 Q2 Rsource 在 20Ω左右。 D 由前面的电压电流 曲线可以看到一般的应 用中 IC 的驱动可以直 接驱动 MOSFET,但是 考虑到通常驱动走线不 是直线,感量可能会更大,并且为了防止外部干扰,还是要使用 Rg 驱动电阻进行抑制。 考虑到走线分布电容的影响,这个电阻要尽量靠近 MOSFET 的栅极。 关于 Rg、L 对于上升时间的影响:(Cgs=1nF,VCgs=0.9*Vdrive) TR(nS) 19 49 230 20 45 229 Rg(ohm) 10 22 100 10 22 100 L(nH) 30 30 30 80 80 80 可以看到 L 对上升时间的影响比较小,主要还是 Rg 影响比较大。上升时间可以用 2*Rg*Cgs 来近似估算,通常上升时间小于导通时间的二十分之一时,MOSFET 开关导通 时的损耗不致于会太大造成发热问题, 因此当 MOSFET 的最小导通时间确定后 Rg 最大值 1 Ton_min ,一般 Rg 在取值范围内越小越好,但是考虑 EMI 的话可以 也就确定了 Rg < 40 Cgs 适当取大。 以上讨论的是 MOSFET ON 状态时电阻的选择,在 MOSFET OFF 状态时为了保证栅 极电荷快速泻放,此时阻值要尽量小,这也是 Rsink<Rsource 的原因。通常为了保证快速 泻放,在 Rg 上可以并联一个二极管。当泻放电阻过小,由于走线电感的原因也会引起谐 振(因此有些应用中也会在这个二极管上串一个小电阻) ,但是由于二极管的反向电流不 导通,此时 Rg 又参与反向谐振回路,因此可以抑制反向谐振的尖峰。这个二极管通常使 用高频小信号管 1N4148。

GATE CONTROLL

VC C

Cgd Rg Cgs Q

实际使用中还要考虑 MOSFET 栅漏极还有 个电容 Cgd 的影响,MOSFET ON 时 Rg 还要对 Cgd 充电,会改变电压上升斜率,OFF 时 VCC 会通过 Cgd 向 Cgs 充电,此时必须保证 Cgs 上 的电荷快速放掉,否则会导致 MOSFET 的异常 导通。


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