MOS管的柵極開通驅(qū)動(dòng)電阻

在驅(qū)動(dòng)MOS管時(shí)，我們希望給到MOS管柵極是標(biāo)準(zhǔn)的電壓方波波形，但是在實(shí)際情況下，我們?cè)跍y(cè)得的Ugs波形往往是帶有振蕩的。這種振蕩波形會(huì)在電路線路上產(chǎn)生額外的噪聲干擾，還造成不必要的功率損耗。

振蕩波形形成機(jī)理

結(jié)合上圖來說一下，為了向MOS管柵極提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，一般需要使用推挽電路來放大電流，如圖中三極管Q1和Q2。在驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，+12V經(jīng)三極管Q1向MOS管柵極提供電流。在實(shí)際物理世界中，凡是有線路的地方，就必然存在感抗和電阻，如線路中等效電感L1和等效電阻R1。由于MOS管GD兩極之間、GS兩極之間存在寄生電容，在此處等效為電容C1。L1和C1形成了諧振振蕩電路，由于等效電阻R1極小，起不到阻尼作用，能量在等效電感L1和等效電容C1之間來回傳遞，所以在驅(qū)動(dòng)脈沖的上升沿形成振蕩波形。下降沿振蕩波形形成機(jī)理類似。所以為了抑制驅(qū)動(dòng)脈沖上下沿振蕩波形，通常人為地在MOS管的柵極串聯(lián)增加驅(qū)動(dòng)電阻。在PCB走線時(shí)，這個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)電阻建議盡量靠近MOS管柵極。

當(dāng)驅(qū)動(dòng)脈沖為高電平，柵極驅(qū)動(dòng)電阻取值越大，意味著+12V向MOS管柵極C1的充電電流越小，在驅(qū)動(dòng)脈沖波形上表現(xiàn)為上升沿緩慢。若柵極驅(qū)動(dòng)電阻過大，則MOS管開通過程時(shí)間太長（MOS管處于放大區(qū)的時(shí)間），相應(yīng)的開關(guān)損耗就會(huì)比較大。

插一句話，為了減少驅(qū)動(dòng)脈沖波形的振蕩，減小驅(qū)動(dòng)線路的寄生電感值，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)應(yīng)該使得柵極的連接走線盡量短，盡量不彎折。

總結(jié)一下上面的內(nèi)容：

如果柵極開通驅(qū)動(dòng)電阻太?。ㄕ袷幭到y(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)），起不到抑制振蕩的作用。

如果柵極開通驅(qū)動(dòng)電阻太大（振蕩系統(tǒng)過阻尼狀態(tài)），則MOS管開通時(shí)間太長，則開關(guān)損耗太大。

最理想的狀態(tài)是臨界阻尼狀態(tài)，柵極驅(qū)動(dòng)電阻剛好可以抑制振蕩，而不引起MOS管開通時(shí)間加長。

柵極開通驅(qū)動(dòng)電阻取值方法

柵極驅(qū)動(dòng)電阻阻值怎么取值比較合適？

一種方法是，柵極驅(qū)動(dòng)電阻阻值（此阻值已經(jīng)包含柵極外部電阻及內(nèi)部電阻）取值是1~2倍的柵極線路雜散電感感抗，其中1倍對(duì)應(yīng)欠阻尼狀態(tài)，2倍對(duì)應(yīng)臨界阻尼狀態(tài)。通過開關(guān)頻率和柵極線路的長度、前級(jí)推挽電路（Q1和Q2）去評(píng)估雜散電感感抗，然后初步確定柵極電阻阻值?？梢娺@種方法需要一定工程經(jīng)驗(yàn)，而且實(shí)現(xiàn)的方式有點(diǎn)曲折。

另外一種方法是，外部柵極驅(qū)動(dòng)電阻建議取值在0Ω50Ω之間。如果MOS管內(nèi)部的柵極驅(qū)動(dòng)電阻足夠大，驅(qū)動(dòng)波形沒有振蕩，那么外部柵極電阻取值可以是0Ω。根據(jù)MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)開關(guān)特性參數(shù)的測(cè)試條件中提供的Rg(ext)，初步定一個(gè)阻值Rg‘(ext)，取值為Rg‘(ext)=12倍Rg(ext)。這個(gè)方法的思路是借鑒MOS管供應(yīng)商的測(cè)試數(shù)據(jù)，MOS管提供的Rg(ext)是比較合理的，否則他們測(cè)試的開關(guān)特性參數(shù)就沒有參考意義了。

然后根據(jù)柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖的實(shí)際測(cè)試波形對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)電阻值，再進(jìn)行微調(diào)，使得波形趨近于上升沿陡峭的沒有振蕩的方波（如果考慮EMI，柵極驅(qū)動(dòng)電阻會(huì)適當(dāng)加大一點(diǎn)）。

那么，怎樣才算得上是陡峭的方波呢？在開關(guān)電源應(yīng)用中，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓的上升時(shí)間Tr不超過整個(gè)開關(guān)周期T的1%（或者按照上升時(shí)間Tr不超過開通時(shí)間Ton的1/20），我們認(rèn)為驅(qū)動(dòng)電壓方波上升沿是陡峭的。

柵極開通驅(qū)動(dòng)電阻功率

然后還需要計(jì)算所選電阻使用的功率，以便選擇相應(yīng)的電阻類型和封裝。

需要注意的是MOS管的寄生電容受實(shí)際應(yīng)用溫度和電壓影響而動(dòng)態(tài)變化，而MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)注的電容數(shù)值通常實(shí)在特定的靜態(tài)測(cè)試條件下得到的靜態(tài)數(shù)值，實(shí)際上動(dòng)態(tài)的輸入電容C1容值比靜態(tài)電容容值要大得多。受MOS管米勒效應(yīng)影響，MOS管的動(dòng)態(tài)輸入電容容量變化，不易計(jì)算，所以在實(shí)際應(yīng)用中，往往關(guān)注的是MOS管整體特性，使用MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)中Qg（Total Gate Charge）柵極驅(qū)動(dòng)充電總電荷量來計(jì)算最小的驅(qū)動(dòng)功率需求、驅(qū)動(dòng)電流需求。數(shù)據(jù)手冊(cè)如果提供的是柵極驅(qū)動(dòng)電壓從0V上升到+12V測(cè)試條件下得到的Qg，實(shí)際應(yīng)用條件如柵極驅(qū)動(dòng)電壓從0V上升到+10V，則實(shí)際柵極驅(qū)動(dòng)充電總電荷Qg'=Qg×10/12。

則流過柵極驅(qū)動(dòng)電阻的平均電流為Iavg=fsw×Qg'，其中fsw是柵極驅(qū)動(dòng)電壓脈沖頻率，Qg是柵極驅(qū)動(dòng)充電電荷，通過平均電流便可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)電阻所需的最小額定功率需求，按照至少2倍的額定功率余量去選擇對(duì)應(yīng)的電阻類型和封裝。

則流過柵極驅(qū)動(dòng)電阻的峰值電流為Imax=0.74×△U/(Rg’(ext)+Rg(int)+Rdv)，其中△U是驅(qū)動(dòng)電壓變化值（驅(qū)動(dòng)電壓峰峰值），如柵極驅(qū)動(dòng)電壓在0V~+10V，則△U=10V。其中Rg‘(ext)是MOS管外部柵極驅(qū)動(dòng)電阻，Rg(int)是MOS管內(nèi)部柵極驅(qū)動(dòng)電阻（可以在MOS管數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到），Rdv是柵極驅(qū)動(dòng)器推挽電路導(dǎo)通電阻，通過峰值電流便可以計(jì)算驅(qū)動(dòng)電阻的峰值功率需求，結(jié)合驅(qū)動(dòng)脈沖的上升時(shí)間，核對(duì)電阻的脈沖負(fù)載曲線，評(píng)估電阻選型是否合適。