为什么(不)在 FET 栅极上放置一个电阻器?

电器工程 电路保护 场效应管
2022-01-04 15:52:02

在考虑保护 MOSFET 的方法时,一个想法是在栅极前面放置一个极高的电阻:这个想法是电流永远不应该流过栅极,所以如果一些瞬态威胁到栅极,电阻会限制电流,可能会防止 FET 烧坏。

事实上,在研究 MOSFET 保护时,我发现了这款集成保护产品,其特性包括“内部串联栅极电阻”,如图所示:

受保护的 MOSFET 电路

如果这个想法是正确的,那么问题是:为什么不总是在任何 FET 的栅极之前放置一个兆欧电阻呢?

或者是否存在栅极电阻通常不会保护 FET 的实际原因?或者它甚至会产生任何不利的性能影响?

4个回答

栅源本质上是一个电容器。所以用这个高电阻,充电需要很长时间。MOSFET 仅在栅极电容器充电到某个水平(阈值电压)以上时才会开启,因此您的开关速度会非常慢。

经常使用栅极驱动器的原因是因为它们能够快速为栅极电容器充电(通常使用 1A 以上的电流),因此可以最大限度地缩短开关时间。

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栅极上的大电阻会减慢 MOSFET 的开关速度。当您将 MOSFET 用作开关(ON-OFF)时,这是可以的,但是当您以 20kHZ 及以上的频率驱动电机时,开关应该很快以最大限度地减少热损失(开关速度更快意味着功率损失更少)。请注意,您在栅极看到的电阻器不仅仅用于保护 MOSFET……它还可以保护驱动 MOSFET 的任何东西(例如:微控制器)。过大的电流可能会涌入并损坏 I/O 引脚。

正如 Darko 所说,从栅极侧看 MOSFET 是一个电容器。该电容器完全充电所需的电荷称为栅极电荷(您可以在数据表中找到它)。充电后,MOSFET 的电阻 (RDS) 降至最小值。因此,您可以理解,在没有串联电阻的情况下尝试驱动该引脚意味着驱动器将吸收/提供大电流(与为电容器充电时的浪涌电流相同)。

编辑:重新解释数据表上显示的值。显示的电阻不是 M\$\Omega\$,要低得多,更像是3400 欧姆,基于外部栅极电阻的开关时间变化。

事实上,当栅极电荷较高时,这确实会减慢开关速度,例如在 15V 1.5A 负载下的 1.6ms 最小关断开关时间。不对称的开关时间意味着它们实际上可能在电阻器两端有一个二极管来加速“导通”时间。钳位时二极管将反向偏置,如下所述。

无论如何,大阻值电阻都不太可能保护栅极,这是永久性击穿和绝缘损坏,不像二极管击穿。这就是为什么 ESD 齐纳二极管位于栅极引线上的原因,以防止过高的栅极-源极电压。

那么,为什么要在其中放置任何电阻呢?好吧,其他(过电压)齐纳二极管可以做他们的事情。想象一下最坏的情况,我们将栅极引线短接到源极,然后残忍地增加漏极上的电压(通过一些外部负载)等待 DS 击穿。当通过齐纳二极管的电流超过几毫安时,MOSFET 开启并钳位过压。

无论如何,功率 MOSFET 通常对 ESD 不是很敏感,因为栅极电容很大。栅极实际上通常会在 50V-100V 左右发生故障,因此必须有大量能量到达栅极。相比之下,RF MOSFET 等微型 MOSFET 对 ESD 非常敏感。然而,典型的 ESD 人体模型甚至足以损坏中等大功率的 MOSFET 栅极。

在 MOSFET 栅极前面放置一个串联电阻还有另一个原因 -故意减慢开关速度。这有助于最小化电路中的压摆率,因此可以减少传导和辐射发射,这可能是一种有用的 EMC 技术。

然而,需要明确的是,显示的电阻绝对不是包含在内的 - 正如其他人所指出的那样,这是为了将钳位齐纳二极管保持在安全工作区域。此外,请注意,减慢开关边沿会对电路性能产生负面影响(开关边沿处的热损耗增加就是其中之一)——因此,任何使用这种技术都是一种折衷方案。