MOSFET

MOSFETのゲート抵抗の決め方を解説【簡単にゲート抵抗値を決定】

MOSFETでゲート抵抗の決め方のイメージ図

  • MOSFETのゲート抵抗の決め方を知りたい
  • MOSFETのゲートに抵抗がある理由は何ですか?
  • ゲート-ソース間にある抵抗の必要性も知りたいです

このような疑問にお答えします。

 

 

この記事を書いている私は、電子回路設計歴が約10年になります。

電子回路でMOSFETを使う機会は結構あるので、経験に基づいて解説します。

 

本記事を読み終えると、MOSFETのゲート抵抗の決め方について理解できるようになりますよ。

3分で読めますので、ぜひ最後までご覧ください。

 

MOSFETのゲート抵抗の決め方

MOSFETのゲート抵抗の決め方は2つあります。

  • 電気的特性から決める
  • ダイナミック入出力特性から決める

 

1つずつ解説します。

 

電気的特性から決める

MOSFETのデータシートに記載されている電気的特性から、ゲート抵抗を決めることができます。

 

具体的に、東芝のMOSFET 2SK2232のデータシートを見てみましょう。

 

電気的特性(Ta=25℃)
MOSFETの電気的特性

東芝 NチャネルMOSFET 2SK2232 の電気的特性(データシートより抜粋)

 

注目すべきは、上記の赤枠のところで、特に『ゲート入力電荷量Qg』が重要です。

なぜなら、

ゲート入力電荷量Qg = ゲート-ソース間電荷量Qgs + ゲート-ドレイン間電荷量Qgd

だからです。

 

ここを見ながら3つの手順で決めます。

  1. 立ち上がり時間を決める
  2. MOSFETに流す電流を決める
  3. ゲート抵抗を決める

 

実際に、この手順でゲート抵抗を決めてみます。

 

立ち上がり時間を決める

まずは立ち上がり時間を決めます。

 

MOSFETの立ち上がり時間

 

立ち上がり時間」の言い方を変えると、ゲート入力電荷量Qgに「電荷が充電されるまでの時間」です。

 

ここでは、データシートの電気的特性に記載されているターンオン時間ton[ns]を引用して

30ns 』

とします。

 

MOSFETに流す電流を決める

MOSFETに流す電流を IG [A] とすると、

IG = ゲート入力電荷量Qg / ターンオン時間ton

で求めることができます。

 

データシートの電気的特性にある

Qg = 38nC
ton = 30ns

を使うと

IG = Qg / ton = 38nC / 30ns = 1.27A

となります。

 

ゲート抵抗を決める

電流が決まれば、ゲート抵抗RGを決めることができます。

データシートの電気的特性にある測定条件には、VGS=10V となっているので、

オームの法則より

RG = VGS / IG = 10V / 1.27A = 7.9 Ω

となります。

 

これでゲート抵抗を決めることができました。

 

電気的特性から決める際の注意点

注意すべきは、データシートの電気的特性にある測定条件は、『VGS=10Vのとき、Qg = 38nC 』となっていることです。

 

これは見方を変えると、

VGS = 10V のとき、Qg = 38nC である
→ VGS=10Vではないとき、Qg = 38nC ではない

ということです。

 

つまり、

VGS=10Vではないとき、Qgの値は何?

という疑問が生じます。

 

多くのMOSFET回路は、データシートの『VGS=10V』という条件では使いません

たまたま同じ条件で使用する場合もありますが、ピッタリ10Vで使用する場合は稀だと思います。

 

Qgの値がわからないと、MOSFETに流す電流を IG [A] もわからないので、ゲート抵抗RGを求めることができません。

そのようなときは、次に解説する「ダイナミック入出力特性」から、Qgの値を決めます。

 

ダイナミック入出力特性からゲート抵抗を決める

以下のグラフは、MOSFETのダイナミック入出力特性です。

 

MOSFETのダイナミック特性

東芝 NチャネルMOSFET 2SK2232 の電気的特性(データシートより抜粋)

 

このグラフから、ゲート入力電荷量Qgの値を決めることができます。

 

例えば、

電源電圧 VDD = 24V
ゲート-ソース間電圧 VGS = 9V

のとき、

ゲート入力電荷量 Qg = 30nC

となります。

 

ダイナミック特性のMOSFET回路

 

Qg がわかれば、あとは電気的特性のときと同じで、

IG = Qg / ton = 30nC / 30ns = 1A

となり、

ゲート抵抗RGは、

RG = VGS / IG = 9V / 1A =

と求めることができます。

 

MOSFETのゲート抵抗が必要な理由

MOSFETのゲート抵抗が必要な理由は、ドレイン-ソース間電圧の不要な振動を減らすためです。

 

MOSFETの振動発生

 

この振動は、立ち上がり時間が速いほど発生します。

ゲート抵抗を入れると、ゲート入力電荷量Qgに充電する時間がかかるので、立ち上がり時間が遅くなります。

その結果、振動を減らすことができます。

 

MOSFETのゲート抵抗による振動抑制

 

なので、ゲート抵抗はドレイン-ソース間電圧の不要な振動を減らす役割があります

ちなみに、不要な振動が発生すると、放射ノイズを発生するというデメリットがありますので、振動は減らした方が良いです。

 

ちょっと余談

ゲート抵抗を入れる
→ ゲート入力電荷量Qgに充電する時間がかかる
→ 立ち上がり時間が遅くなる

の意味が分からない人は、単純に抵抗とコンデンサの回路で考えれば分かりやすいです。

 

MOSFETのゲート抵抗による立ち上がり波形

 

抵抗なしの回路よりも、抵抗ありの回路は立ち上がり時間が遅いのが分かりますね。

これは抵抗がある分、電流が流れにくいので、
コンデンサを充電するのに時間がかかるためです。

 

 

MOSFETのゲート-ソース間に抵抗が必要な理由

ゲート-ソース間に抵抗を入れる理由は、MOSFETが誤って動作しないようにするためです。

 

具体的に、以下の回路で考えてみます。

 

MOSFETのゲート-ソース間抵抗

 

このような回路で、MOSFETのドレイン端子に接続される電源(24V)が先にONした場合、

5VはOFFなので、MOSFETのゲート端子の電圧は、何Vなのか分からない状態になります。

 

つまり、

1.0Vかもしれないし、
3.5Vかもしれないし、
4.2Vかもしれない

という状態になります。

こういう状態でゲートしきい値電圧を超えてしまうと、MOSFETは誤って動作してしまいます。

 

例えば、東芝のMOSFET 2SK2232 のゲートしきい値電圧は 2.0V です。

この電圧を超えてしまうと、誤って動作します。

なので、ゲート-ソース間に抵抗Rを入れることで、ゲート端子の電圧を 0V(GND) に固定し、MOSFETが誤って動作しないようにしています。

 

 

まとめ

今回は、MOSFETのゲート抵抗の決め方について解説しました。

ゲート抵抗の決め方について少しは理解できたでしょうか?

本記事が少しでもお役に立てば幸いです。

 

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