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MOSFET驱动电路中的栅极电阻靠近驱动器放置还是靠近MOSFET放置?还是无所谓呢?

Part 01 前言

在MOSFET驱动电路中,如果我们采用栅极驱动器来驱动MOSFET,那么将栅极驱动器尽可能靠近MOSFET放置是比较理想的选择。但在某些情况下,很难在PCB布置电路板来实现这一点。如果栅极驱动器和MOSFET之间的距离很大,那PCB中外部栅极电阻放哪个位置更好,是靠近栅极驱动器还是靠近MOSFET呢,或者没有影响?

Part 02 栅极电阻作用分析

栅极电阻RGATE相当于MOSFET驱动电路里的“交通警察”,串在驱动器和MOSFET栅极之间,管着电流Ig的大小,决定MOSFET开关速度是“快”还是“慢慢”。公式很简单:

Ig ≈ (VDRV - Vgs(th)) / RGATE

VDRV:驱动电压

Vgs(th):MOSFET的门槛电压

RGATE:我们的主角,电阻值决定了电流量

开关时间呢,跟栅极电荷Qg有关:

t ≈ Qg / Ig

举个例子:Qg=50nC,要想t=100ns,算下来Ig得0.5A,RGATE就得18Ω。简单吧?但问题来了:这RGATE是放驱动器旁边当“门卫”,还是贴着MOSFET做“保镖”?位置不同,效果可是天差地别。

Part 03 栅极电阻位置分析

栅极驱动器的输出阻抗通常非常低,几欧姆级别,而MOSFET的输入阻抗由栅极电容Ciss决定,在高频下表现为低阻抗Z =1/(jωCiss)。栅极电阻RGATE作为串联元件,其位置会显著影响电路,

若RGATE靠近驱动器放置:

RGATE位于驱动器端,之后有一段走线连接至MOSFET栅极。这段走线的寄生电感L_gate与MOSFET的栅极电容Ciss串联,形成一个LC回路。由于驱动器输出阻抗低,这段走线的高阻抗特性Z=jωL_gate容易导致振铃,尤其在高频开关时。

若RGATE靠近MOSFET放置:

RGATE紧邻MOSFET栅极,驱动器通过走线直接连接到RGATE。此时,走线由驱动器的低阻抗输出驱动,寄生电感的影响被最小化。RGATE与Ciss紧密相连,形成阻尼效应,有效抑制振荡。

走线寄生电感L_gate与栅极电容Ciss形成的LC回路的谐振频率为:

f_res = 1 / (2π√(L_gate × Ciss))

例如,若走线长度为5cm,寄生电感L_gate ≈ 5nH,Ciss = 1nF,则谐振频率约为71MHz。若开关频率接近此值,振铃现象会显著增加。

当RGATE靠近MOSFET时,走线长度趋近于0,L_gate大幅减小,LC回路被破坏,振荡风险显著降低。

RGATE的放置位置还会影响电路对外部噪声的敏感性:

靠近驱动器放置,RGATE后的走线阻抗较高,由L_gate和Ciss决定,容易拾取外部电磁干扰,影响栅极电压的稳定性,导致开关误动作。靠近MOSFET放置,驱动器到RGATE的走线由低阻抗驱动,抗干扰能力强。而RGATE到MOSFET的连接极短,高阻抗走线段被最小化,减少了噪声耦合的可能性。

Part 04 总结

如果驱动器和MOSEFT距离较远,栅极电阻RGATE应放置在靠近MOSFET的位置,而非靠近栅极驱动器。这样可以充分利用驱动器的低阻抗特性,减少走线寄生电感的影响,抑制振荡和噪声耦合。

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