蓄電池叉車調速器MOSEFT 管柵極電阻計算與模擬分析

朱俊臻，康少華，黎云兵，黃 林，耿 帥

(1.軍事交通學院 研究生管理大隊 天津300161;2.軍事交通學院 軍事物流系，天津300161)

在變頻調速器中，MOSFET 功率管是作為開關器件使用的，處于時通時斷的工作狀態，開關頻率的提高，要求柵極驅動電路具有充電電流大、開關速度快、驅動損耗小等特點。但是，由于MOSFET功率管極間電容、走線電感等因素的影響，柵極驅動信號會產生寄生振蕩，加大功率器件的損耗，特別是在關斷過程中容易產生尖峰電壓，當振蕩幅值較大時，就有可能直接造成功率開關管損壞［1］。為了抑制這個寄生振蕩，可在其柵極加入適當阻值的柵極電阻進行控制。通過改變柵極電阻值，即可調整MOSFET 功率管的動態性能［2］。

柵極電阻值的大小，直接影響MOSFET 功率管的開關時間、開關損耗、電磁干擾、驅動信號的寄生振蕩等。因此，本文在分析各影響參數的基礎上，如MOSFET 參數、損耗、走線布局、寄生電感、驅動能力等，整體考慮分析、計算所需的柵極電阻值。

1 MOSFET 管開關特性分析

MOSFET 功率管的模式電路如圖1 所示。由功率管開關特性可知，其內部柵極電容在導通、關斷時是不斷變化的，通過限制柵極電流IG的幅值能夠實現預期的導通、關斷時間。其中，一般通過T1、T2(圖中所示)構成圖騰柱結構來實現MOSFET管的導通、關斷互鎖。

圖1 MOSFET 管導通與關斷柵極電流回路

減小RG值，MOSFET 功率管導通和關斷時間就會縮短，柵極電流IG會相應增大，開關損耗會降低。需要考慮的是，當柵極電阻減小時，MOSFET功率管關斷變快，會出現大電流，柵極電流的變化率也將變大，從而產生很高的尖峰電壓Uce，其估算公式為

式中:Lσ為柵極驅動線路寄生電感;di/dt為柵極電流變化率。

當瞬態尖峰電壓超過漏源最大允許電壓時，MOSFET 管就可能擊穿損壞。MOSFET 功率管導通與關斷頻率越高，產生的尖峰電壓和尖峰電流越大，必將帶來嚴重的電磁干擾(electromagetic interference，EMI)，使控制電路失效。

2 柵極電阻最小值的確定

柵極電阻值決定了柵極峰值電流的大小，兩者呈反比關系，同時，隨著峰值電流的增加，功率管的開關時間和開關損耗也相應減小。但是，峰值電流并不能太大，以免損壞柵極驅動電路。一般而言，由于MOSFET 柵極通路存在內部電阻(RG(int))和自感，柵極峰值電流要更小一些，其計算公式為

同時，可以得到柵極電阻最小值的計算公式為

根據技術手冊和上述公式計算可得，該蓄電池叉車調速器用MOSFET 功率管IPB025N10N 的柵極電阻最小值RG(min)為8 Ω。在實際電路中，需要對柵極電阻與MOSFET 柵極之間的距離加以考慮，因為長距離走線會使柵源電感增加，再結合MOSFET 內部電感，形成LC 電路，產生振蕩電路，這樣很有可能超過功率管最大柵極開啟電壓，形成誤導通。同時，為了抑制振蕩，也必須增加柵極電阻值，其最小值計算公式為

式中:Lwire為走線產生的自感;Cies為MOSFET 功率管內部柵極電容。

內部柵極電容包含柵源電容和柵漏電容，不能僅僅將MOSFET 的輸入電容當作MOSFET 總柵極電容。確定柵極電容的正確方法是查看MOSFET 技術手冊中的總柵極電荷量QG［3］，然后通過公式Q=C·U得到Cies的值。

根據經驗，走線長度與自感關系為1 nH/mm，考慮到其他走線因素，取Lwire=Length+ 10(nH)［4］，這樣，結合IPB025N10N 手冊［5］，就可以得到RG(min)為4 Ω 左右。

綜合以上兩方面因素，取其中較大的一個，得到對應于功率管IPB025N10N 的最小柵極電阻值為8 Ω。

3 柵極電阻仿真分析

在工作頻率得到滿足的情況下，一只MOSFET功率管的電流容量往往不能滿足使用要求，此時則需將多只MOSFET 功率管并聯使用［6］。為此，在前述確定的柵極電阻最小值基礎上，使用仿真軟件Multisim，研究柵極電阻對并聯MOSFET 功率管性能的影響。仿真原理如圖2 所示。

圖2 并聯MOSFET 柵極電阻仿真原理

簡化模型只考慮線路中的電阻因素，采用2只MOSFET 功率管并聯，所用的MOSFET 功率管為IPB025N10N。V1為驅動信號，幅值為15 V，頻率為1 MHz。V2提供48 V 電源電壓，則通過電阻R3能產生最大160 A 的負載電流，電阻R5和R6是IPB025N10N 的柵極電阻，電阻R1和R2是柵源間電阻。

當T1管和T2管的參數完全一致并且電路布局完全對稱時，即理想情況，漏極電流的仿真波形如圖3 所示。

圖3 理想漏極電流的仿真波形

可以看出，2 只并聯功率管T1和T2的漏極電流完全一致，MOSFET 性能達到理想狀態。

但實際電路中，走線布局不可避免地會使并聯的MOSFET 功率管的柵極線路電阻不同。假設在線路上R5為1 Ω，其他部分都是對稱的，則可以得到漏極電流仿真波形(如圖4 所示)。

圖4 柵極電路不對稱漏極電流的仿真波形

從圖4 仿真結果可知，在同一驅動信號作用下，由于器件實際特性參數不一致，導通瞬間電流主要由先導通的MOSFET 功率管承受，同時伴隨有尖峰電流，當第2 只MOSFET 功率管導通后，其電流很快降低。在功率管完全開通后，2 只管承受的電流是基本均衡的。在關斷時，后關斷的功率管要承受負載。

如果在MOSFET 功率管柵極串入計算得到的8 Ω 最小柵極電阻，則得到如圖5 所示的漏極電流仿真波形。

圖5 串入柵極電阻后漏極電流的仿真波形

可見，在加入柵極電阻后，MOSFET 功率管的導通和關斷依然有先后之分，但因開關速度變慢，此時的電流波動變得很小。在實際驅動電路中，必然會由于線路問題而產生不對稱，但是一般情況下不會超過0.3 Ω。因此，結合上文計算結果，在每只MOSFET 功率管的柵極加入8 Ω 電阻，可以確保得到良好的均流特性。

4 實驗分析

根據仿真分析結果，需對確定的柵極電阻值進行實驗論證，重點通過觀察IPB025N10N 柵極驅動電壓波形圖，驗證柵極電阻值是否滿足抑制振蕩與峰電壓等要求，通過波形記錄儀測得結果如圖6 所示。

圖6 柵極電阻為8 Ω 的柵極驅動電壓波形

可見，柵極電阻基本滿足開關要求，上升沿和下降沿比較陡，但在MOSFET 關斷末尾段電壓存在較強的振蕩，這可能是因為走線布局產生的自感引起的。因此，應當適當提高柵極電阻值，可選擇約4 倍于上述電阻值，即取為33 Ω。實驗結果如圖7 所示。

圖7 柵極電阻為33 Ω 的柵極驅動電壓波形

由圖7 可見，當柵極電阻取為33 Ω 時，驅動電壓波形的上升沿和下降沿變緩，但并未超過相應的死區時間，而且先前存在的關斷末尾振蕩得到了良好的抑制。

5 結 論

綜上所述，通過公式推導得出的柵極電阻值可以為設計電路提供最小理論參考。在實際應用中，考慮走線、布局、寄生電感等因素，并通過對比實驗證明，柵極電阻值的大小，應按最小柵極電阻值的3—4 倍數值選定。

［1］ 李少華，任尚宗. PCB 電路中信號完整性分析與EMC 仿真技術［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 驅動器與MOSFET 的匹配設計［EB/OL］.［2014-09-01］.http://www.microchip.com.

［4］ 關于MOSFET 驅動電阻的選擇［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］ 楊成禹. 48V500A 全數字交流調速控制器的設計［D］. 天津:軍事交通學院，2011:35-38.