MOSFET管柵極為什么放置一個約100Ω串聯(lián)電阻

在一周前看到在公眾號“電機(jī)控制設(shè)計加油站”的一篇推文，“Why 100Ω? 較真的教授發(fā)現(xiàn)簡單結(jié)論背后不簡單的問題”（點擊加黑文字可以跳轉(zhuǎn)到該推文），對MOSFET管柵極為什么放置“一個約100Ω串聯(lián)電阻”進(jìn)行討論。

推文一開始就講到：只要問任何經(jīng)驗豐富的電氣工程師——如我們今天故事里的教授 Gureux ——在 MOSFET 柵極前要放什么，你很可能會聽到“一個約 100 Ω 的電阻”。

雖然我們對這個問題的答案非?？隙?，但你們或許會繼續(xù)問——“為什么呢？他的具體作用是什么呢？電阻值為什么是 100 Ω 呢”

年輕教授Neubean懷著好奇心對于通常在MOSFET柵極串聯(lián)100Ω電阻做法進(jìn)行了實驗研究，并得出了一個結(jié)論可以安撫自身疑問的心靈，但是感覺他最終還是沒有真正抓住問題所在。

我們知道，MOSFET器件是電壓控制器件，與雙極性三極管不同的是，MOSFET管的導(dǎo)通只需要控制柵極的電壓超過其開啟閾值電壓即可，不需要柵極電流。所以本質(zhì)上，MOS管工作室柵極上無需串聯(lián)任何電阻。

對于普通的雙極性三極管，它是電流控制器件。它的基極串聯(lián)電阻R1是為了了限制基極電流的大小，否則對于驅(qū)動信號源來說，三極管的基極對地之間就等效成一個二極管，會對前面驅(qū)動電路造成影響。

如果對于MOS管，由于它的柵極相對于漏極和源極是絕緣的，所以柵極上無需串聯(lián)電阻進(jìn)行限流。

相反，考慮到MOS管柵極存在的寄生電容，為了加快MOS管導(dǎo)通和截止的速度，降低MOS管在導(dǎo)通和截止過程中的損耗，它的柵極上的等效電阻應(yīng)該越小越好，最好為0。

可是很多實際MOSFET電路中，在MOS管柵極上所串聯(lián)的電阻幾乎無處不在，似乎大家都忘記了，這個電阻存在會延長MOS導(dǎo)通和截止的時間，增加無謂的損耗。

下面給出網(wǎng)絡(luò)上隨便找到幾個MOS管電路，可以看到紅色圓圈中表示出它們的柵極都有串聯(lián)的電阻。

上面電路示例中，有兩個是將MOSFET放在反饋電路中，MOS管不是工作在開關(guān)狀態(tài)，因此這兩個電路中所串聯(lián)的電阻本質(zhì)上應(yīng)該是配合MOS管柵極電容來減小電路的頻率響應(yīng)，增加電路相位穩(wěn)定裕度的。

這和推文“Why 100Ω? 較真的教授發(fā)現(xiàn)簡單結(jié)論背后不簡單的問題”中Neubean教授實驗討論的情形相似，只是Neubean教授更狠，他在討論中將MOS柵極串聯(lián)電阻增大到1MΩ，并通過仿真發(fā)現(xiàn)增大柵極電阻在他的電路中反而會引起輸出不穩(wěn)定。所以柵極串聯(lián)電阻越小越好。如下是Neubean的電路。

很可惜，Neubean教授最后只是得到柵極電阻Rgate越小越好，但為什么不減少到0歐姆？為何還需要保留100歐姆呢？對于這個問題他的導(dǎo)師Gureux也只是自信的表示，就選擇100歐姆就好了。

關(guān)于MOS管柵極串聯(lián)電阻，特別是對工作在開關(guān)狀態(tài)的MOSFET柵極串聯(lián)電阻的作用，通常的解釋是為了防止MOSFET開關(guān)過程中產(chǎn)生震蕩波形，這不僅會增加MOSFET開關(guān)損耗，如果震蕩過大，還會引起MOS管被擊穿。

如下是對該現(xiàn)象所做的仿真實驗。下面電路中，最后的MOS管柵極串聯(lián)有電阻R3，它的漏極負(fù)載是一個電感負(fù)載，同時還包括有10nH的線路分布電感

實驗中，對R3分別取1歐姆，10歐姆，50歐姆進(jìn)行仿真實驗，可以看到當(dāng)R3為1歐姆的時候，在輸出電壓Vds上有高頻震蕩信號。

當(dāng)R3增加到10歐姆的時候，輸出Vds的高頻震蕩信號明顯被衰減了。

當(dāng)R3增加到50歐姆的的時候，Vds的上升沿變得比較緩慢了。在它的柵極電壓上，也明顯出現(xiàn)因為漏極-柵極之間的Miller電容效應(yīng)所引起的臺階。此時對應(yīng)的MOS管的功耗就大大增加了。

由上面的仿真實驗結(jié)果來看，在MOS管柵極上所串聯(lián)的電阻需要根據(jù)具體的MOS管和電路分布雜散電感來確定，如果它的取值小了，就會引起輸出振鈴，如果大了就會增加MOS管的開關(guān)過渡時間，從而增加功耗。

然而上面的仿真電路還沒有揭示出柵極電阻所起的的真正作用。下圖是在英飛凌半導(dǎo)體工作給出的功率MOS管柵極串聯(lián)電阻對于消除開關(guān)震蕩所起到的真正作用。

在功率MOS管的驅(qū)動電路回路中，會存在著各種分布電感Lp，他們與MOSFET的Cgd, Cge會形成諧振電路。它們會對開關(guān)驅(qū)動信號中的高頻諧波分量產(chǎn)生諧振，近而引起功率管輸出電壓的波動。

在MOS管的柵極串聯(lián)電阻Rg，可以增大MOS管驅(qū)動回路中的損耗，降低諧振回路的Q值，使得電感，電容諧振現(xiàn)象盡快衰減。

這其中存在一個最佳串聯(lián)電阻Rg，使得驅(qū)動回路恰好處在臨界阻尼狀態(tài)，此時MOS管驅(qū)動信號處在小的震蕩和快速開關(guān)狀態(tài)的折中。因此，Rg應(yīng)該與MOSFET驅(qū)動回路的分布電感和它的雜散電容有關(guān)。因此它不是一個固定值，需要根據(jù)實驗來確定。

談到這兒，再重新看推文“Why 100Ω? 較真的教授發(fā)現(xiàn)簡單結(jié)論背后不簡單的問題”中的討論，雖然Neubean證明了他的電路中的MOS管柵極串聯(lián)電阻越小越好，但當(dāng)討論到一定取100歐姆的時候，Neubean的導(dǎo)師Gureux教授就不應(yīng)該那么自信了。

審核編輯：湯梓紅