了解 MOSFET 的栅极

MOSFET 是卓越的器件，可在驱动各种负载时提供许多好处。它们是电压驱动的，并且在开启时具有非常低的电阻，这使得它们成为许多应用的首选器件。

然而，对于许多设计师来说，门的实际工作方式可能是最不了解的特征之一。

让我们看看典型的 MOSFET 电路。

注意：我在这里仅说明 N 通道设备，但 P 通道通过相同的机制工作。

^{模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图}

所以我们知道设备是电压驱动的，为什么我们需要\$R_{GATE}\$。为了理解为什么 \$R_{GATE}\$ 很重要，我们需要扩充这个模型以包括 MOSFET 的电容。

^{模拟这个电路}

\$R_g\$ 是器件腿和键合线到栅极本身的电阻。它通常是一个或两个非常小的值。两个电容器，一个从栅极到源极\$C_{GS}\$，另一个从栅极到漏极\$C_{GD}\$，但是非常重要。

更复杂的是，这些电容不是恒定的，而是根据施加的电压而变化。一个典型的例子如下所示。

可以看到，当驱动设备将输出从低电平切换到高电平时，输出基本上通过 \$C_{GS}\$ 和 \$C_{GD}\$ 接地。因此，从驱动装置获取的初始电流受以下等式约束。

\$I_{门} = V_{门}/(R_{源} + R_{门} + R_g)\$

由于驱动设备将具有最大驱动电流，因此您需要选择 \$R_{GATE}\$ 的最小值，以确保永远不会超过该值。然而，单 \$R_g\$ 很小，并不总是可以确定驱动器的源阻抗和接收阻抗，通常将方程简化为简单的..

\$R_{门} = V_{门}/(I_{最大})\$

注意：如果驱动器中的源极和灌极限制不同，或者需要锐化开启或关闭边缘，则可以使用两个栅极电阻器和相关的二极管。

时间就是一切

好的，现在也许你可以明白为什么栅极电阻很重要了。但是，您现在需要了解具有该栅极电阻的含义以及如果它太大会发生什么。

很容易看出 \$R_{GATE}\$ 和 \$ C_{GS}\$ 形成 RC 延迟，这将导致栅极上的电压上升得慢于驱动器的输出。但是，\$C_{GD}\$ 是如何影响的呢？

让我们分析一下这个简单的电路。

在这里，我选择了一个典型的 MOSFET，其输入电阻约为 2.5 欧姆。如上图所示，随着漏极对地短路，可以在脉冲的上升沿绘制以下迹线。

如您所见，正如我们预测的那样，\$R_{Gate}\$ 中的电流最初开始受到 1A 电阻的限制，然后呈指数衰减至零。同时，栅极本身的电压以指数方式上升到施加的 10V 栅极电压。这里没有什么意外，除了 Vg 开始处的锐利边缘，我认为这是一个模拟器伪影，可能是模型输入电感的结果。

毫不奇怪，脉冲的下降沿是相似的。

好的，让我们在栅极上施加一个 1V 的小电压，负载电阻为 1 欧姆。

在上面的跟踪中，您应该注意三件事。

1. 注意 \$V_{D}\$ 中的凹凸。随着栅极电压的升高，\$C_{GD}\$ 的顶部被推高到轨电压之上。由于此时 MOSFET 仍处于关闭状态，\$C_{GD}\$ 必须通过负载电阻器放电，如 I(R_LOAD) 迹线所示。

2. 当栅极电压有时间充分充电至阈值电压时，MOSFET 在脉冲沿后约 653nS 内不开启。显然，使 \$R_{GATE}\$ 太大会进一步延迟。

3. 如果您有鹰眼，您可能还会注意到 I(R_GATE) 在 MOSFET 开启时出现轻微偏转。

好的，现在让我向您展示一个更真实的电压，负载为 10V 和 10 欧姆。

上面应该突出的是栅极电流和 \$V_{gs}\$ 中明显的平坦点。是什么原因造成的？

当 \$V_{GS}\$ 达到开启阈值时，器件开始导通，这导致 \$C_{GD}\$ 开始通过器件本身放电。这有效地“吸收”了更多通过栅极的电流，从而显着降低了栅极电压上升的速率。当它慢慢上升时，设备会打开一点，放电 \$C_{GD}\$ 稍微快一点，依此类推，直到最终 \$C_{GD}\$ 放电到与 \$ 相同的水平C_{GS}\$。之后，组合正常收费，\$V_{GS}\$ 再次以指数方式上升到目标值。

在这一点上，你应该已经明白了一些事情。那是...

开启延迟随负载电压而变化！

这当然是因为您切换的电压越高，\$C_{GD}\$ 中存储的能量就越多，通过栅极放电的电荷就越多。

让我们把它提升到这个设备可以处理的最大值，300V，仍然有 1A 负载。

请注意，平坦点现在很长。该设备仍处于线性模式，并且需要更长的时间才能完全打开。事实上，我不得不在这张图片中扩展时基。栅极电流现在维持在 6uS 左右。

查看关闭时间，在此示例中情况更糟。

请注意栅极电流和栅极电压上的类似平坦点，因为 \$C_{GD}\$ 充电会因为充电路径中包含负载电阻而变得更长。

这意味着，如果您正在调制负载的电源，您可以驱动它的频率很大程度上取决于您切换的电压。

什么样的工作频率为 100Khz，电压为 10V……平均栅极电流约为 400mA……

300V没有希望。

在这些频率下，MOSFET、栅极电阻器和驱动器中消耗的功率可能足以破坏它们。

结论

除了简单的低频使用之外，微调 MOSFET 以在更高的电压和频率下工作需要大量的仔细开发，以便提取您可能需要的特性。您走得越高，MOSFET 驱动器就需要越强大，这样您就可以使用尽可能小的栅极电阻。

如果您选择了这个具有巨大输出电流 (7A) 的驱动器，那么我认为您需要这个栅极驱动电流来非常快速地切换一个非常大的 FET。

栅极电阻器只会通过降低栅极驱动电流来减慢速度，因此其最佳值是零欧姆。它的最大值取决于可接受的开关损耗（开关速度较慢会导致更多的开关损耗）。

栅极电阻器仍然可以使用：

• 减慢开关速度以降低 EMI。但在这种情况下，您不妨使用更弱（更便宜）的驱动程序。
• 降低 MOSFET 开启期间从电源汲取的电流尖峰。如果局部去耦不够好，该电流可能会使 VCC 下降，从而触发芯片的 UVLO。幸运的是，该芯片的引脚排列可以轻松实现低电感去耦。
• 如果布局不理想，栅极走线很长。这会增加栅极中的电感，从而导致 MOSFET 振荡。电阻器会以较慢的开关为代价来抑制振荡。这有点像创可贴，最好是紧凑的布局。

我建议放置一个电阻器以防万一，并从 0R 跳线开始。

干得好 V_GS = I1 R_G = R_G C_GD * dv/dt