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半导体开关器件的门极(Gate)串联电阻是如何抑制谐振的?

之前的帖子有和坛友讨论MOSFET的驱动电路到管子G极中间的电感/电容/电阻寄生参数对开关器件的影响,其实主要是驱动电阻的取值问题,在这里找找资料,一块学习讨论下。

举例一个驱动电路到MOS开关器件的电路,下图是个推挽的驱动电路(用其他驱动电路也行),驱动电阻R18的阻值为10Ω。

单单是从电路中看,可知驱动电路到MOS的G极之间没有电容/电感器件,然而PCB在布线的时候必定会引入寄生的电感,虽然这个寄生的L值很小,不过也足以影响到了PWM波形质量和MOS的动作。

驱动电路PWM信号到MOS门极之间的寄生电感大致可以用这个公司估算:L = 0.002S(2.3lg ( 2S / W ) + 0.5 )  ,其中S:线长W:线宽。

MOS的寄生电容常见的有三个Cdg/Cgs/Cds,通常寄生电容的值范围在pF到nF之间(不同厂家,不同型号和不同封装的寄生参数不同)

这里的参数选择参考网上的<CSDN博主「硬件工程师炼成之路」>帖子里的值,寄生电感L=9.17nH,MOS寄生电容选取C=1nF,驱动PWM信号到MOS门极之间的电阻按照最恶劣值取为Rs=0.1Ω,等效电路如下图:

1.假设不给驱动电路与MOS门极之间串联驱动电阻的频率与增益波形如下图:

图中可知在谐振频率约51MHz时增益达到了30倍昨天。而MOS管驱动PWM信号可以看作是一个阶跃信号,其高频分量会出现在谐振51MHz左右,因此会引入谐振,这是我们工程师设计的时候不愿意看到的。

2.在驱动输出信号与MOS门极之间分别串联1Ω,10Ω,100Ω的电阻,并将走线的电阻一并算入既是:Rs=1.1Ω,Rs=10.1Ω,Rs=100.1Ω,L和C的寄生参数不改变,再观察一下频率与增益的曲线:

MOS驱动电阻选取1欧姆在约51MHz时增益为2.8倍;驱动电阻选取10欧姆在5MHz时增益开始衰减,也即是假设在上述的L和C寄生参数下使用10欧姆的电阻能有效抑制寄生参数引起的震荡问题;驱动电阻选取100欧姆在500kHz时增益开始衰减,可知100欧姆也能有效抑制寄生L和C引起的震荡,但是缺点是截止频率过低,并使得PWM方波信号上升沿变得缓慢,如下图,影响到MOS的导通时间,并且驱动电阻阻值越大驱动损耗也会增加。

所以说驱动PWM信号到MOS的距离越短,寄生电感就越小,引起的谐振就越容易被规避掉,但是实际上我们不可能把驱动电路无限的接近于MOS的门极端,所以就需要合理的设计和选取驱动电阻的阻值。

PI将很多MOS集成到了控制芯片内部,带了最明显的一个优势就是咱们上边讨论的由于驱动信号布线长短引起的寄生电感导致的一些问题。PI的集成控制芯片能最大限度的降低寄生参数对整个电路的影响。

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2022-01-24 08:57

驱动PWM信号到MOS的距离如果长的话,应该怎么解决这个问题,

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2022-01-24 09:38
@lihui710884923
驱动PWM信号到MOS的距离如果长的话,应该怎么解决这个问题,

串电阻,哈哈哈~走线长了必然会导致电感量增加,驱动上升过冲有可能会更加明显

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2022-01-24 12:02

PI将很多MOS集成到了控制芯片内部

散热要求高呀,还有ESD和浪涌

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2022-01-24 15:01
@lihui710884923
驱动PWM信号到MOS的距离如果长的话,应该怎么解决这个问题,

应该尽量减小回路布线,在低频应用中这个问题不是很尖锐,主要还是看布线吧

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2022-01-24 15:03
@liweicheng
PI将很多MOS集成到了控制芯片内部散热要求高呀,还有ESD和浪涌

若是小功率的,加之实现软开关的你话,散热问题应该没那么严峻吧

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XHH9062
LV.9
7
2022-01-24 19:59

半导体开关器件是电路中重要的一环

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不可说
LV.5
8
2022-01-24 20:58
@lihui710884923
驱动PWM信号到MOS的距离如果长的话,应该怎么解决这个问题,

走线越长,寄生电感的感量越大,需要增大驱动电阻的阻值抑制。

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不可说
LV.5
9
2022-01-24 21:01
@liweicheng
PI将很多MOS集成到了控制芯片内部散热要求高呀,还有ESD和浪涌

PI的电源方案基本上都是小功率,并且反激变换器里用的是准谐振软开关,管子的开关损耗小,并且整机模块的转换效率高,发热应该没问题,规格书中都会写相应的工作环境温度的

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2022-01-27 09:49

这个电阻很难搞喔,同样的线路图,改板就要重新调整。

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tanb006
LV.10
11
2022-05-24 10:34
@lihui710884923
驱动PWM信号到MOS的距离如果长的话,应该怎么解决这个问题,

把G极电阻靠近MOS放置就行了。越短越好。在实践中,测试过长达30厘米以上的驱动走线,经过PCB绕很多零件之后,再经过驱动电阻进入MOS。并不会有影响。

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tanb006
LV.10
12
2022-08-22 11:38
@模块电源-01
这个电阻很难搞喔,同样的线路图,改板就要重新调整。

也不算很难。多少有个电阻就可以抑制走线电感形成的振荡。

如果是多只MOS并联驱动,而且位置、距离都不同,这就有点难了。需要调节到各个MOS都达到同是驱动才可以。

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黑夜公爵
LV.10
13
2022-10-12 20:15
@tanb006
把G极电阻靠近MOS放置就行了。越短越好。在实践中,测试过长达30厘米以上的驱动走线,经过PCB绕很多零件之后,再经过驱动电阻进入MOS。并不会有影响。

传送到负载的功率与变压器初级电感量和初级峰值电流的平方成比例

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