电压驱动型开关器件MOSFET门极下拉电阻的作用
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2022-05-10 20:00
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金属氧化物增强型场效应管（MOSFET）栅极（Gate）-源极（S）的下拉电阻作用
功率电路中常用垂直导电结构的MOSFET（还有横向导电结构的MOSFET，但很少用于耐高压的功率电路中），如下图是这种垂直导电MOSFET的分层结构图。
从结构图我们抽象出等效的电路符号图，其中米勒电容是指在栅极（G）和漏极（D）之间的一个寄生电容，也称为反向传输电容Crss，就是图中的（CGD），反并二极管是内部等效晶体三极管的结果，晶体管是NPN型，目前三极管努力将Rw电阻接近0欧姆，所以晶体管的两个PN结成为一个PN结，等效为内部寄生二极管“Inverse Diode”。
初步认识一下这个器件的几个参数，可能各个厂家对这些参数的解释稍有差异，下面是塞米控（Semikron）对这几个参数的说明
在实际中，为了提高器件的性能（如低内阻等），发展了垂直双扩散增强型MOEFET，也称为VDMOSFET（Vertical double diffusion enhanced moefet），如下是结构图，箭头表示了它的载流子运动方向，N沟道当然是电子在导电，那么电流方向就和这个箭头反向相反了。
传统的VDMOSFET，你也可以这样看它的结构，无非就是为了耐压加了个漂移层“N-DRIFT”。
上面介绍了我们常用的功率MOSFET，下面我们来说开头的问题我们知道，米勒电容的存在，在MOSFET关断时，MOSFET的Vds会产生一个电压由接近零（饱和压降）到母线的变化过程，电压变化和变化过程（时间累积）就是电压变化率“dv/dt”，然而电容就是对电压变化发生作用的器件，电压在电容两端变化即产生电流“i”，如下图
在半桥结构中，上管还会通过米勒电容影响下管，就是给你一个电流充到门极上，如下图
我们知道，MOSFET门极或栅极是高阻抗器件，从前面器件结构已经看到，在栅极（G）和源极（S）之间是一层二氧化硅（SiO2），这个是绝缘体，因此G-S之间就是高阻抗（几十到几百兆不等），所以一旦驱动异常，其中一种情况是通过米勒电容的电流给G-S充电，小电流高阻抗可能对应着高电压，栅极电压被充电，当超过门槛电压“Vgs(th)”会导致MOSFET重新开通，这是十分危险的情况。我们以最简单的反激电源驱动为例：如下是一个反激电源拓扑的MOSFET驱动，虽然芯片设计的时候已经考虑了给米勒电容形成的电流提供一个回路，但我们还要考虑异常情况。
下面这个图看着更加清楚，米勒电容电流通过驱动芯片内部下拉低阻回路进行释放，避免栅极被充高而误导通，这是芯片设计商给我们考虑到的。
这里大家还要注意布线问题，尽可能减小门极寄生电感，寄生电感不仅能引起栅极振荡，同时还会影响米勒电容的放电速度。如下是驱动布线的一种，首先是信号和功率回路要分明；其次是驱动回路走线要短而粗，回路面积尽可能小，以便减小寄生电感，同时减少功率回路磁场对驱动回路的耦合影响，造成驱动信号畸变。
图中R8是靠近MOSFET的一个下拉电阻，前面我们已经知道其实在驱动芯片内部已经有泄放下拉电阻，但是如果驱动电阻Rg在意外情况下开路或没有连接，那么这个下拉电阻R8就可以给米勒电容电流提供泄放路径，让MOSFET栅极-源极之间保持低阻抗，从而使得MOSFET始终处于安全状态。
我们已经知道了诸如MOSFET这种电压型器件，栅极-源极是高阻抗，为什么说它们也是静电（ESD）敏感器件的原因就在此，高电压加在门极不易泄放，累积过程就会损坏栅极（G）和源极（S）之间的二氧化硅（SiO2）氧化层，这样器件就失效了，加下拉低阻也可以避免或减轻这一类的问题。
这个电阻要兼顾功耗和实际泄放效果，在中小功率电源（0~500W）选10K~20K，大功率电源一般是4.7K~10K，大家根据自己实际选择。声明：本文经作者授权，转载自“FirPower”公众号。转载仅为学习参考，不代表本号认同其观点，本号亦不对其内容、文字、图片承担任何侵权责任。
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