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从两个方面计算一下MOSFET栅极驱动电阻
参考MOSFET:IRFP4227PBF
参考栅极驱动器:UCC21520DW
参考资料:适用于栅极驱动器的外部栅极电阻器设计指南

一、从限流方面设计栅极驱动电阻

在MOSFET充放电回路如下图所示,栅极驱动器电阻Rdri,栅极驱动电阻Rg,MOSFET寄生电阻Rgi

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驱动芯片控制MOSFET开启关断时,在驱动芯片内部的电阻不一样,具体的值需要看数据手册,下图为驱动芯片内部电阻Rdri

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一般来说栅极驱动器会有拉电流与灌电流指标,下图为驱动芯片驱动电流数据

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因此就需要保证在对MOSFET充放电的时候需要保证电流值不会损坏栅极驱动芯片,由欧姆定律: I = U / R,既可计算出需要的电阻,但是前面说过,电阻由三部分组成栅极驱动器内部电阻Rdri、栅极电阻Rg、MOSFET寄生电阻Rgi组成
下图是MOSFET栅极寄生电阻,可能会出现手册给跨导数据或者直接给电阻数据,g = 1/R
得到此时的电阻Rgi = 1/gfs = 0.02Ω.

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此时计算出所需栅极电阻Rg = U/I - Rdri - Rgi,如果栅极驱动器的内部电阻已经可以进行限流,那么外部就可以不需要使用栅极电阻,此时栅极驱动电阻主要用来进行阻尼调整
比如在这里输出高电平时栅极驱动器内部电阻已经满足限流要求
当MOSFET关断的时候,Rg = U/I - Rdir_off - Rgi = 12/6-0.02-0.55 = 1.43, 那么此时需要大于1.43Ω的栅极电阻

二、从阻尼方面设计栅极驱动电阻

2.1. RLC串联谐振

下图为RLC串联电流,当给电路供电的时候,电路会出现震荡,其震荡频率为 f = 1 2 π L C

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在二阶电路中有两个重要的参数,一个是品质因素Q,以及阻尼系数ζ,其中Q=1/(2ζ)
Q = XL / R, XL为电感感抗,无量纲形式为:电感感值/电阻阻值
当ζ < 1,Q > 0.5,系统为欠阻尼
当ζ = 1,Q = 0.5,系统为临界阻尼
当ζ > 1,Q < 0.5,系统为过阻尼
下图展示一下三种情况,理想情况下我们希望系统反应比较快,但是又不会出现很大的过冲

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现在展示MOSFET VGs震荡波形,同时也可以测量出这个震荡的频率

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根据RLC串联谐振公式可以计算出,回路中的等效电感感值Ln

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同时根据临界时Q=0.5,Q=XL/R,可以计算出此时需要的电阻阻值,需要注意Q=XL/R计算出来的值是整个回路的电阻,还需要减去驱动芯片内部电阻Rdri以及MOSFET栅极寄生电阻Rgi,最后才得到需要的栅极电阻Rg,根据自己能接受的震荡进行电阻阻值设计,一般来说是希望工作在欠阻尼一些,稍微有点过冲
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