MOS管驱动电阻怎么选?阻值大小到底影响什么?

一 先看清这颗电阻在控制什么

画原理图时,MOS管栅极前面的电阻很容易被顺手填成10Ω。参考设计这么用,上一块板子也这么用,似乎没有必要多想。可到了调试阶段,换成4.7Ω,温度可能下来一点,尖峰却变大;换成22Ω,波形安静了,满载温升又上去了。

这颗电阻没有一个放之四海而皆准的答案。它需要配合器件、驱动器和PCB,在开关损耗、振铃与误导通风险之间找到可接受的工作点。本文以常见硅N沟道功率MOS管的硬开关应用为主。

图1 驱动回路等效路径,电阻和寄生参数共同影响开关过程。

MOS管保持导通时,栅极的直流电流很小;切换状态时,驱动器却要迅速完成充放电。外部栅极电阻控制的是这段瞬态过程,它与驱动器输出等效电阻、MOS管内部栅极电阻共同作用。1

因此,不能只问"外部用了多少欧"。同样的10Ω,换一颗拉电流能力不同的驱动器,或者换成内部栅极电阻不同的MOS管,速度就可能变化。开通和关断时,驱动器的输出阻抗也未必相同。

还要区分串联栅极电阻与栅源下拉电阻。前者主要调整动态充放电,后者用于给栅极提供静态偏置路径,帮助避免悬空;两者的作用不同,不能互相代替。

二 先理解米勒平台 再讨论开关速度

驱动器输出变高,并不代表MOS管瞬间完成导通。栅源电压先上升,器件电流开始建立;在典型钳位感性负载的开通过程中,随后会出现一段栅压变化较小、漏源电压明显下降的区间,这就是常说的米勒平台。

在这个阶段,驱动器仍然输出电流,电荷主要用于完成与漏源电压变化相关的栅漏充电过程。用Qgd除以平台阶段的平均栅极电流,可以粗略估计这段电压转换时间。2

图2 米勒平台与漏源电压转换的关系,曲线仅为原理示意。

这也是为什么不能只看输入电容Ciss,再套一个固定RC时间常数,就宣称已经算出了完整开关时间。器件电容随电压变化,实际充放电过程也包含不同阶段。

数据手册中的栅电荷曲线,要连同测试电流、漏源电压和栅极驱动幅度一起看。平台电压与Qgd并非脱离工况的常数。从曲线上读出的数值,只能作为相近条件下的估算依据。

还有一个常见误区:VGS(th)不是推荐驱动电压。它是在规定的小电流条件下测得的门限。要让器件在负载电流下充分导通,应核对厂家给出的驱动要求和对应VGS条件下的导通电阻。2

三 电阻变大或变小 都要同时看代价

在其他条件接近时,减小开通电阻通常会提高栅极充电电流,使开通过程更快。但负载换流也可能更猛烈,开关节点变化率、反向恢复相关应力和干扰需要同步观察。增大开通电阻则可能减缓这些变化,同时增加开通损耗。

关断侧也有两面性。较低的关断阻抗有利于及时抽走栅极电荷,但关断电流变化过快时,功率回路寄生电感造成的电压尖峰可能加重。12

图3 调整方向与常见代价,具体趋势需结合工况验证。

只盯着VGS是否"方正",很容易选错方向。需要把VDS和电流放到同一时间轴上,确认电压尖峰、换流电流和栅极动作之间的关系。波形干净了却明显发热,说明还要核对开关损耗和散热。

在半桥中,还要观察关断中的另一只MOS管。对侧切换引起的漏极电压快速变化,可能通过Cgd向栅极注入位移电流。关断路径阻抗偏高时,栅极就可能被抬升。必要时应评估米勒钳位等措施。3

电流尖峰也不一定就是上下管沟道直通,其中可能包含输出电容充放电和体二极管反向恢复。先判断机制,再决定改开通电阻、关断电阻、死区还是布局。

四 用一个算例确定初始阻值

假设驱动电压为12V,米勒平台电压为5V,Qgd为20nC,希望漏源电压转换阶段约为100ns。驱动器拉电流时的输出等效电阻暂取2Ω,器件内部栅极电阻取1Ω。以上参数用于演示计算,不对应指定器件。

先计算平台阶段电流:Ig ≈ Qgd / tv = 20nC / 100ns = 0.2A。再估算总串联电阻:R总 ≈ (Vdrv - Vplateau) / Ig = 35Ω。扣除驱动器和器件内部电阻,得到外部电阻约32Ω,可选33Ω进入首轮验证。2

图4 假设参数下的选值计算,33Ω仅作为该算例的初始验证值。

100ns是本例选定的目标,不是通用推荐值,也不是从驱动指令发出到完全导通的总时间。实际设计要先确定可接受的损耗和开关变化率,再选择目标。图中的其他点只反映这组假设下的计算关系。

还要校核起始充电峰值。按同一简化电阻模型,采用33Ω时,栅压接近0V的瞬间电流约为12 / (33 + 2 + 1) = 0.33A。驱动器可能出现非线性输出压降或限流,因此还需查看输出特性,不能只看首页的峰值电流标称。

如果算出的外部电阻为负值,说明这个目标超出了所假设驱动回路的能力,不能安装"负电阻"来补偿。应重新选择目标、驱动器或器件。最终选值仍要回到实测波形。

五 开通和关断可以分开选 电阻功率也要核对

一颗串联电阻同时影响充电和放电,调试空间有限。若开通需要慢一点、关断需要更强的泄放能力,可以通过二极管分流或驱动器独立输出,分别设置Ron与Roff。2

画具体电路时,要逐一追踪充电与放电方向,确认哪个二极管导通、哪些电阻仍在串联或并联。不能只看元件名字叫Ron还是Roff;二极管压降、脉冲电流能力和回路寄生参数都要计入。

图5 独立充放电路径的功能示意,具体接法需核对器件资料。

平均功率不大,并不代表小封装一定合适。以0V到Vdrv驱动为例,栅极驱动供电功率可用Qg × Vdrv × fs作一阶估算。例如Qg为60nC、12V、100kHz时约为0.072W,但这不是全部落在外部电阻上的功耗,也不包含驱动器所有内部损耗。2

外部电阻分到多少热耗散,要结合充放电路径确定;每次脉冲的峰值功率、能量和重复频率,还要符合电阻厂商的脉冲负载曲线。不能仅凭平均功率低于额定值就结束选型。

并联MOS管时,通常需要为各器件布置独立栅极电阻,并关注支路对称性。只在总入口放一颗电阻,无法充分约束器件之间的局部耦合与振荡。

六 上板调试 用记录而不是凭感觉定值

建议为每个候选阻值记录母线电压、负载、开关频率、驱动电压、温度以及探头接法。先在低能量、受控条件下核对动作,再逐步提高电压和负载。一次只改一个变量,才知道变化来自哪里。

测量点尽量靠近器件引脚。高侧MOS管的VGS是栅极相对它自身源极的电压,不能用栅极对系统地电压代替。应使用适合测量位置的差分或隔离探头,核对共模、差模量程和高频共模抑制能力。

图6 从初始选值到器件端波形和热态验证的调试流程。

普通接地示波器的地夹不能接到高侧开关节点,也不要断开示波器保护地做悬浮测量。快速共模变化与过长的探测回路,都可能制造并不存在的尖峰;改器件之前,先确认测量可信。

每轮至少检查VGS正负峰值、关断期间的抬升、VDS最大值、电流异常和稳态温升。调整开关速度后,还要复核器件端有效死区,并覆盖热态、启动、停机、限流和驱动欠压等工况。

如果电阻怎么调都顾此失彼,就该回头检查布局:驱动器去耦是否就近、栅极与返回路径是否紧凑、是否与功率电流共用过多源极电感。有Kelvin源极的器件,应按厂商要求使用。1

下次再填上"10Ω"时,给它附上一组依据:为什么从这里开始,器件端波形是什么样,最差工况下还剩多少余量。这组证据,比一个看起来熟悉的阻值更有价值。

调试记录与参考资料

固定测试条件后,逐一对比候选阻值。下面的记录项适合直接放进调试报告,是否合格应依据器件规格和项目要求判断。

|-------|--------------------------|
| 记录项目 | 应保留的内容 |
| 工况与器件 | MOS管和驱动器型号、母线电压、负载、频率、温度 |
| 电阻与路径 | Ron、Roff、二极管方向以及共用电阻 |
| 栅极波形 | VGS正负峰值、振铃、关断抬升、实际开关延迟 |
| 功率回路 | VDS峰值、电流尖峰、有效死区与换流过程 |
| 温度与功耗 | 相同散热条件下的温升及驱动电阻脉冲负载 |
| 测试边界 | 热态、启动、停机、限流、欠压等状态 |

参考资料

1 TI 外部栅极电阻设计指南
https://www.ti.com/lit/pdf/slla385

2 TI MOSFET与IGBT栅极驱动基础
https://www.ti.com/lit/ml/slua618a/slua618a.pdf

3 TI 米勒钳位应用说明
https://www.ti.com/document-viewer/lit/html/SLYA091/GUID-2DA39407-8B48-4337-A3C3-C28780CB1745

配图说明:6张图均为本文绘制的技术示意,曲线不是实测波形。算例采用假设参数,具体选值以所用器件数据手册及实测结果为准。

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