蓄电池叉车调速器MOSEFT 管栅极电阻计算与模拟分析

朱俊臻，康少华，黎云兵，黄 林，耿 帅

(1.军事交通学院 研究生管理大队 天津300161;2.军事交通学院 军事物流系，天津300161)

在变频调速器中，MOSFET 功率管是作为开关器件使用的，处于时通时断的工作状态，开关频率的提高，要求栅极驱动电路具有充电电流大、开关速度快、驱动损耗小等特点。但是，由于MOSFET功率管极间电容、走线电感等因素的影响，栅极驱动信号会产生寄生振荡，加大功率器件的损耗，特别是在关断过程中容易产生尖峰电压，当振荡幅值较大时，就有可能直接造成功率开关管损坏［1］。为了抑制这个寄生振荡，可在其栅极加入适当阻值的栅极电阻进行控制。通过改变栅极电阻值，即可调整MOSFET 功率管的动态性能［2］。

栅极电阻值的大小，直接影响MOSFET 功率管的开关时间、开关损耗、电磁干扰、驱动信号的寄生振荡等。因此，本文在分析各影响参数的基础上，如MOSFET 参数、损耗、走线布局、寄生电感、驱动能力等，整体考虑分析、计算所需的栅极电阻值。

1 MOSFET 管开关特性分析

MOSFET 功率管的模式电路如图1 所示。由功率管开关特性可知，其内部栅极电容在导通、关断时是不断变化的，通过限制栅极电流IG的幅值能够实现预期的导通、关断时间。其中，一般通过T1、T2(图中所示)构成图腾柱结构来实现MOSFET管的导通、关断互锁。

图1 MOSFET 管导通与关断栅极电流回路

减小RG值，MOSFET 功率管导通和关断时间就会缩短，栅极电流IG会相应增大，开关损耗会降低。需要考虑的是，当栅极电阻减小时，MOSFET功率管关断变快，会出现大电流，栅极电流的变化率也将变大，从而产生很高的尖峰电压Uce，其估算公式为

式中:Lσ为栅极驱动线路寄生电感;di/dt为栅极电流变化率。

当瞬态尖峰电压超过漏源最大允许电压时，MOSFET 管就可能击穿损坏。MOSFET 功率管导通与关断频率越高，产生的尖峰电压和尖峰电流越大，必将带来严重的电磁干扰(electromagetic interference，EMI)，使控制电路失效。

2 栅极电阻最小值的确定

栅极电阻值决定了栅极峰值电流的大小，两者呈反比关系，同时，随着峰值电流的增加，功率管的开关时间和开关损耗也相应减小。但是，峰值电流并不能太大，以免损坏栅极驱动电路。一般而言，由于MOSFET 栅极通路存在内部电阻(RG(int))和自感，栅极峰值电流要更小一些，其计算公式为

同时，可以得到栅极电阻最小值的计算公式为

根据技术手册和上述公式计算可得，该蓄电池叉车调速器用MOSFET 功率管IPB025N10N 的栅极电阻最小值RG(min)为8 Ω。在实际电路中，需要对栅极电阻与MOSFET 栅极之间的距离加以考虑，因为长距离走线会使栅源电感增加，再结合MOSFET 内部电感，形成LC 电路，产生振荡电路，这样很有可能超过功率管最大栅极开启电压，形成误导通。同时，为了抑制振荡，也必须增加栅极电阻值，其最小值计算公式为

式中:Lwire为走线产生的自感;Cies为MOSFET 功率管内部栅极电容。

内部栅极电容包含栅源电容和栅漏电容，不能仅仅将MOSFET 的输入电容当作MOSFET 总栅极电容。确定栅极电容的正确方法是查看MOSFET 技术手册中的总栅极电荷量QG［3］，然后通过公式Q=C·U得到Cies的值。

根据经验，走线长度与自感关系为1 nH/mm，考虑到其他走线因素，取Lwire=Length+ 10(nH)［4］，这样，结合IPB025N10N 手册［5］，就可以得到RG(min)为4 Ω 左右。

综合以上两方面因素，取其中较大的一个，得到对应于功率管IPB025N10N 的最小栅极电阻值为8 Ω。

3 栅极电阻仿真分析

在工作频率得到满足的情况下，一只MOSFET功率管的电流容量往往不能满足使用要求，此时则需将多只MOSFET 功率管并联使用［6］。为此，在前述确定的栅极电阻最小值基础上，使用仿真软件Multisim，研究栅极电阻对并联MOSFET 功率管性能的影响。仿真原理如图2 所示。

图2 并联MOSFET 栅极电阻仿真原理

简化模型只考虑线路中的电阻因素，采用2只MOSFET 功率管并联，所用的MOSFET 功率管为IPB025N10N。V1为驱动信号，幅值为15 V，频率为1 MHz。V2提供48 V 电源电压，则通过电阻R3能产生最大160 A 的负载电流，电阻R5和R6是IPB025N10N 的栅极电阻，电阻R1和R2是栅源间电阻。

当T1管和T2管的参数完全一致并且电路布局完全对称时，即理想情况，漏极电流的仿真波形如图3 所示。

图3 理想漏极电流的仿真波形

可以看出，2 只并联功率管T1和T2的漏极电流完全一致，MOSFET 性能达到理想状态。

但实际电路中，走线布局不可避免地会使并联的MOSFET 功率管的栅极线路电阻不同。假设在线路上R5为1 Ω，其他部分都是对称的，则可以得到漏极电流仿真波形(如图4 所示)。

图4 栅极电路不对称漏极电流的仿真波形

从图4 仿真结果可知，在同一驱动信号作用下，由于器件实际特性参数不一致，导通瞬间电流主要由先导通的MOSFET 功率管承受，同时伴随有尖峰电流，当第2 只MOSFET 功率管导通后，其电流很快降低。在功率管完全开通后，2 只管承受的电流是基本均衡的。在关断时，后关断的功率管要承受负载。

如果在MOSFET 功率管栅极串入计算得到的8 Ω 最小栅极电阻，则得到如图5 所示的漏极电流仿真波形。

图5 串入栅极电阻后漏极电流的仿真波形

可见，在加入栅极电阻后，MOSFET 功率管的导通和关断依然有先后之分，但因开关速度变慢，此时的电流波动变得很小。在实际驱动电路中，必然会由于线路问题而产生不对称，但是一般情况下不会超过0.3 Ω。因此，结合上文计算结果，在每只MOSFET 功率管的栅极加入8 Ω 电阻，可以确保得到良好的均流特性。

4 实验分析

根据仿真分析结果，需对确定的栅极电阻值进行实验论证，重点通过观察IPB025N10N 栅极驱动电压波形图，验证栅极电阻值是否满足抑制振荡与峰电压等要求，通过波形记录仪测得结果如图6 所示。

图6 栅极电阻为8 Ω 的栅极驱动电压波形

可见，栅极电阻基本满足开关要求，上升沿和下降沿比较陡，但在MOSFET 关断末尾段电压存在较强的振荡，这可能是因为走线布局产生的自感引起的。因此，应当适当提高栅极电阻值，可选择约4 倍于上述电阻值，即取为33 Ω。实验结果如图7 所示。

图7 栅极电阻为33 Ω 的栅极驱动电压波形

由图7 可见，当栅极电阻取为33 Ω 时，驱动电压波形的上升沿和下降沿变缓，但并未超过相应的死区时间，而且先前存在的关断末尾振荡得到了良好的抑制。

5 结 论

综上所述，通过公式推导得出的栅极电阻值可以为设计电路提供最小理论参考。在实际应用中，考虑走线、布局、寄生电感等因素，并通过对比实验证明，栅极电阻值的大小，应按最小栅极电阻值的3—4 倍数值选定。

［1］ 李少华，任尚宗. PCB 电路中信号完整性分析与EMC 仿真技术［J］.信息通信，2012(2):42-44.

［2］ IGBT and MOSFET Drivers Correctly Calculated Application Note［EB/OL］.［2014-09-01］. http://www. IGBT-Driver.com.

［3］ Jamie D.MOSFET 驱动器与MOSFET 的匹配设计［EB/OL］.［2014-09-01］.http://www.microchip.com.

［4］ 关于MOSFET 驱动电阻的选择［EB/OL］.［204-09-07］.http://www.ednchina.com.

［5］ Infineon Technologies AG.IPB025N10N Data Sheet［EB/OL］.［2014-09-08］.http://www.Irf.com.cn.

［6］ 杨成禹. 48V500A 全数字交流调速控制器的设计［D］. 天津:军事交通学院，2011:35-38.