在电子电路设计领域,我们常常会听到这样一个建议:在 MOSFET(金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管)的栅极前增加一个电阻,而且这个电阻的阻值通常是 100Ω。那么,为什么要增加这个电阻呢?更进一步地,为什么这个电阻的阻值要是 100Ω 呢?接下来,我们将深入探讨这些问题。
MOS 管是一种电压型控制器件,从理论上来说,MOS 管的导通只需要控制栅极的电压超过其开启阈值电压即可,并不需要栅极电流。因此,本质上 MOS 管工作时栅极并不需要串联任何电阻。此外,MOS 管的栅极存在寄生电容。为了加快 MOS 管的导通和截止速度,降低其在导通和截止过程中产生的损耗,栅极上的等效电阻应该越小越好,理想状态下为 0。然而,在实际的 MOSFET 电路中,我们却常常看到栅极前串联着一个电阻,如下图所示:

为什么要串联这个电阻?
在开关状态下,串联电阻的主要目的是防止 MOSFET 在开关过程中产生震荡波形。因为震荡波形会增加 MOSFET 的开关损耗,并且如果震荡幅度过大,还可能导致 MOS 管被击穿。在开关过程中,MOSFET 的电压和电流会快速变化,电路中的寄生电感和电容会与 MOSFET 相互作用,从而产生震荡。而串联电阻可以起到阻尼作用,抑制这种震荡。
为什么电阻是 100Ω?
我们可以参考一个网上的仿真试验。在这个试验中,在 MOSFET 电路的栅极串联电阻 R3,并分别取 1 欧姆、10 欧姆、50 欧姆进行仿真实验:
当 R3 为 1 欧姆时,输出电压 Vds 上出现高频震荡信号。这是因为电阻值过小,无法有效抑制电路中的寄生电感和电容所产生的谐振,导致震荡现象较为严重。
当 R3 为 10 欧姆时,输出电压 Vds 的高频震荡信号明显被衰减。此时电阻在一定程度上起到了阻尼作用,减少了震荡的幅度。
当 R3 为 50 欧姆时,输出电压 Vds 的上升沿变得缓慢。其栅极电压上,因为漏极 - 栅极之间的米勒电容效应引发了台阶。此时,MOS 管的开关过渡时间变长,对应的功耗也大大增加。
简单来说,如果电阻取值过小,会引起输出振铃;如果取值过大,会增加 MOS 管的开关过渡时间,从而增加其功耗。那么,100Ω 的电阻是如何确定的呢?这需要进一步深入探讨 MOS 管的开关震荡问题。
下面是一张 MOSFET 的驱动电路图,功率 MOS 管的驱动电路中会分布各种电感,例如图中的 L,它们与 MOSFET 的 Cgd(漏极 - 栅极电容)、Cge(栅极 - 源极电容)会形成谐振电路。这个谐振电路会对开关驱动信号中的高频谐波分量产生谐振,进而引起功率管输出电压的波动。

MOS 管的栅极串联电阻 Rg,会增大 MOS 管驱动回路中的损耗,然后降低谐振回路的 Q 值,使得电感与电容的谐振现象快速衰减。在这里我们可以理解到,MOS 管栅极上所串联的电阻,是根据具体的 MOS 管和电路分布杂散电感来确定的。
当 Rg 值比较小时,驱动电压上冲会比较高,震荡较多,而且电感 L 越大这种现象越明显。此时,会对 MOSFET 及其他器件的性能产生一定影响。此外,驱动电流的峰值也比较大,但是一般情况下,IC(集成电路)的驱动电流输出能力是有一定限制的。当阻值过大时,实际驱动电流达到 IC 输出的值时,IC 输出就相当于一个恒流源,会对 Cgs(栅极 - 源极电容)进行线性充电,驱动电压波形的上升率会变慢。而驱动波形上升比较慢的话,如果 MOSFET 有较大电流通过时就会产生不利影响。

综上所述,阻值过大或过小都会对 MOSFET 驱动电路产生一定的不利影响。如何确定合适的阻值呢?一般是根据管子的电流容量、电压额定值以及开关频率,来选取 Rg 的数值。所以,MOS 管栅极上串联的电阻(例如 100Ω),是根据具体的 MOS 管和电路分布杂散电感等多种因素综合确定的,以确保 MOS 管能够稳定、高效地工作。