★★★ 2021.8.7 「26歳回路設計初心者」さん 感謝のメッセージありがとうございます!★★★

FETのゲート・ソース間抵抗の決め方

回路設計



この記事で分かること

・MOSFETのゲート・ソース間抵抗の決め方がわかる。
・ゲート・ソース間抵抗がついている理由がわかる。

  FETは大別して、接合型(JFET)とMOS型(MOSFET)があります。
   本記事では、MOSFETを単に「FET」と呼ぶことにします。

結論 FETのベース・ゲート抵抗値の決め方

ゲート・ソース間抵抗GS
以下の3つの条件を満たすようにします。
 ・RGS > 10 x RG
   ゲート抵抗RGの10倍以上の値にする。
    ※RGの決め方は、「ゲート抵抗の決め方」を参照下さい。

 ・RGS > VOUT/ IOUT
   ゲート制御回路から電流が流れすぎないようにする。
         OUT :ゲート制御回路の出力電圧
    IOUT :ゲート制御回路の出力電流(ソース電流)

 ・ RGS < Vth / In
   ノイズ電流がゲートに入ってもONしないようにする。
     th:FETのしきい値電圧
     :ノイズ電流(数uA程度)
        *しきい値電圧はFETのデータシートに記載されています。

 一般的にRGS4.7kΩ~22kΩの範囲で使用されており、10kΩが最も多いです。
 これらの理由について説明します。

FETにゲート・ソース間抵抗がついている理由

GSがついている理由は以下になります。

・ゲート制御回路からの信号が無い場合、FETがオンするのを防ぐため
 起動時にゲート制御回路が動作するより早く、FETのドレイン(D)に電圧が印加された場合、
 ゲート信号入力が未接続状態と同じになるため、ゲート電圧が不安定となり、
 FETがオンしてしまう恐れがあります。

 また、電源オフ時も、ドレインに電圧が残っている状態で、
 ゲート制御回路が先に停止してしまうと、同様なことが起こる可能性があります。

 RGSをつけることで、ゲート制御回路からの信号がない場合、
 ゲート電圧が0Vに固定されることで、FETがオンすることを防ぎます。

・ゲート制御回路がVGS=0Vにするのをサポートするため
 FETのGーS間はコンデンサに置き換えることができます。
 VGSを下げるには、このコンデンサに充電された電荷を流す必要があります。

 ゲート制御回路の出力インピーダンスROUTが大きいと、シンク電流が小さくなり、
 このコンデンサが十分に放電されずVGSが0Vまで下がらない場合があります。
  シンク電流:回路やICに流し込むことができる電流。台所の流し台(シンク)と同じで水(電流)を流し込める量

 インピーダンスと聞くと、難しく感じるかもしれませんが、
 ここでは、ゲート制御回路内の出力とGND間にある内部抵抗と考えて下さい。

 RGSをつけることで、コンデンサの電荷をRGS経由でも流すことができるので、
 十分に放電することができ、Routが大きくてもVGS=0Vまで下げることができます。



ゲート・ソース間抵抗の決め方

GSは以下の3つの条件を満たすようにします。

・RGS > 10 x ゲート抵抗RG
 制御回路からの電圧VinがRGとRGSで分圧されて、ゲートに入力されるため、
 RGSが小さいとVGSが低くなり、FETが完全にONできなくなる場合があります。

 データシートのID-VGS特性から、流そうとしているIに必要なVGSを求め、
 その値より高い電圧がゲートに入力されるようにRGSとRGの比率を決めます。

 ここでは、目安としてRGの10倍以上の値にすれば問題ないです。
 RGは「ゲート抵抗の決め方」で決めることができるので、RGSも求まります。

・RGS > VOUT / IOUT
    VOUT:ゲート制御回路の出力電圧
    IOUT :ゲート制御回路の出力電流(ソース電流)

 RGSをつけることで、ゲートOFF時にVGS=0Vにするのをサポートすると説明しましたが、
 RGSが小さすぎると、今度はゲートON時にソース電流を超える電流が流れてしまい、
 Voutが低下して、FETが完全にONできない場合があります。
   ※ソース電流:回路やICから出力できる電流のこと

 このため、ソース電流値を超えないようにRGSを大きくします。

・RGS < Vth/(ノイズ電流)
 RGSが大きすぎると、ノイズが流れた時にVGSが上昇してONしてしまう可能性があります。
 ドレイン(D)に急激に高電圧が加わった場合、GーD間のコンデンサ成分により、
 ゲートに微小電流が流れます。

 低電圧駆動タイプのFETはしきい値電圧Vthが1V以下のものがあるので、
 例えばゲート信号に1uAのノイズがゲートに流れてきた場合、RGS=1MΩにすると、
    VGS = IxRGS = 1uAx1MΩ = 1V
 となり、Vthが1V以下ならオンしてしまいます。

 このため、uAオーダの電流が入っても、しきい値Vthを超えないようにRGSを小さくします。

これらの条件を満たすゲート抵抗RGSの抵抗値ですが、
一般的には4.7kΩ~22kΩの範囲(10kΩが最も多い)であれば基本的には問題ないです。

 <ゲート抵抗RGの求め方等については下記の記事で解説しています>

 <回路工作で役立つ工具類を下記の記事で紹介しています>