关于MOSFET驱动电阻的选择

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
计算式
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。
根据以上得到
计算式
因此根据走线长度可以得到rg最小取值范围。
等效驱动电路图
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:
电压电流波形
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。
mosfet有较大电流通过时
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。
ic的pwm out输出
一般ic的pwm out输出如左图所示,内部集成了限流电阻rsource和rsink,通常rsource》rsink,具体数值大小同ic的峰值驱动输出能力有关,可以近似认为r=vcc/ipeak。一般ic的驱动输出能力在0.5a左右,因此rsource在20ω左右。
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。

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最大值也就确定了 ,一般rg在取值范围内越小越好,但是考虑emi的话可以适当取大。
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。

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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