Dlaczego (nie) umieścić opornik na bramce FET?

Myśląc o sposobach ochrony MOSFET, jednym z pomysłów było umieszczenie wyjątkowo wysokiej rezystancji przed bramą: Chodzi o to, że prąd nigdy nie powinien przepływać przez bramę, więc jeśli jakiś przejściowy zagrozi bramie, opór ograniczy to prąd, prawdopodobnie uniemożliwiający wypalenie FET.

W rzeczywistości, badając ochronę MOSFET, natknąłem się na ten integralnie chroniony produkt, który zawiera w swojej funkcji „odporność na wewnętrzną bramkę szeregową”, jak pokazano na schemacie:

Jeśli ten pomysł jest prawidłowy, pytanie brzmi: dlaczego nie zawsze stawiać rezystor megaomowy przed bramą dowolnego FET?

Czy istnieje praktyczny powód, dla którego opornik bramkowy zwykle nie chroni FET? A może może to nawet mieć niekorzystny wpływ na wydajność?

Źródłem bramki jest zasadniczo kondensator. Tak więc z tym wysokim rezystorem ładowanie zajęłoby bardzo dużo czasu. MOSFET włączy się tylko wtedy, gdy kondensator bramkowy zostanie naładowany powyżej pewnego poziomu (napięcie progowe), więc będziesz miał bardzo wolne przełączanie.

Powodem, dla którego często stosuje się sterowniki bramkowe, jest to, że są w stanie szybko naładować kondensator bramkowy (często przy użyciu prądu powyżej 1A), dzięki czemu czasy przełączania można zminimalizować.

Możesz przeczytać więcej tutaj .

Duże rezystory na bramce spowalniają przełączanie MOSFET. Jest to OK, gdy używasz MOSFET-a jako przełącznika (ON-OFF), ale kiedy jedziesz silnikiem z częstotliwością 20 kHz i wyższą, przełączanie powinno być szybkie, aby zminimalizować straty ciepła (przełączanie szybciej oznacza mniejsze straty mocy). Zauważ, że rezystor, który widzisz przy bramce, nie służy wyłącznie do ochrony MOSFET-u, ale także chroni to, co napędza MOSFET (na przykład: mikrokontroler). Nadmierny prąd może przyspieszyć i uszkodzić styk we / wy.

Jak powiedział Darko, MOSFET jest kondensatorem, gdy patrzysz na niego od strony bramy. Ładunek potrzebny do pełnego naładowania kondensatora nazywa się ładunkiem bramkowym (można go znaleźć w arkuszu danych). Po naładowaniu rezystancja MOSFET (RDS) spada do minimum. Możesz więc zrozumieć, że próba wysterowania tego pinu bez szeregowej rezystancji oznacza, że ​​wysoki prąd zostanie zatopiony / pobrany przez sterownik (tak samo jak prąd rozruchowy podczas ładowania kondensatora).

$\Omega$ oparciu o zmianę czasów przełączania z zewnętrznym opornikiem bramkowym.

To naprawdę spowalnia przełączanie, gdy ładunek bramki jest wysoki, na przykład minimalny czas wyłączenia 1,6 ms przy obciążeniu 15 V 1,5 A. Asymetryczny czas przełączania oznacza, że ​​mogą one faktycznie posiadać diodę na oporniku, aby przyspieszyć czas włączenia. Podczas zaciskania dioda będzie odchylana do tyłu, jak wyjaśniono poniżej.

Rezystor o dużej wartości i tak prawdopodobnie nie ochroni bramki, jest to trwałe uszkodzenie i uszkodzenie izolacji, które nie występuje jak uszkodzenie diody. Właśnie dlatego diody Zenera ESD znajdują się na przewodzie bramki, aby zapobiec nadmiernemu napięciu źródła bramki.

Dlaczego więc w ogóle pytasz o rezystor? Cóż, jest tak, że inne (przepięcie) zenery mogą robić swoje. Wyobraź sobie najgorszy przypadek, a my zwarliśmy przewód do źródła, a następnie sadystycznie podnosimy napięcie na odpływie (poprzez pewne obciążenie zewnętrzne), czekając na awarię DS. Gdy prąd przez diody Zenera przekroczy część mA, MOSFET włącza się i wyrównuje przepięcie.

MOSFET-y mocy są generalnie mało wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne ze względu na dużą pojemność bramki. Brama tak naprawdę psuje się przy czymś takim jak 50 V-100 V, więc dużo energii musi dotrzeć do bramy. Małe MOSFETY, takie jak RF MOSFET, są bardzo wrażliwe na ESD w porównaniu. Jednak typowy model ESD ludzkiego ciała wystarcza, aby uszkodzić nawet bramę MOSFET o średniej mocy.

Jest jeszcze jeden powód, aby umieścić rezystor szeregowy przed bramą MOSFET - aby celowo spowolnić przełączanie. Pomaga to zminimalizować prędkości narastania w obwodzie, a zatem może zmniejszyć emisje przewodzone i promieniowane, co może być przydatną techniką EMC.

Jednak, aby być jasnym, absolutnie nie do tego służy dołączony rezystor - jak zauważyli inni, to po to, aby utrzymać zaciskające Zenery w bezpiecznym obszarze działania. Należy również pamiętać, że spowolnienie przełączania krawędzi ma negatywny wpływ (zwiększone straty cieplne przy krawędziach przełączania równe jeden) na wydajność obwodu - w związku z tym każde zastosowanie tej techniki jest kompromisem.

Rezystor szeregowy bramki można zastosować, jeśli dioda Zenera jest również używana do ograniczenia napięcia źródła bramki do wartości mniejszej niż wartość Vgs MOSFET. Typowa wartość znamionowa wynosi 20 V, a zastosowany zostanie zener 10 V lub 15 V. Podział opłaty za bramę działa w następujący sposób. Zakładając, że napięcie bramki i napięcie na kondensatorze wynoszą początkowo 0, a następnie przy włączeniu ... V_c = Qg / C_drive Vgs = V_drive - V_c_drive V_drive to napięcie napędu bramki. Qg jest całkowitym ładunkiem bramki wymienionym w arkuszu danych FET dla danych Vgs = V_drive C_drive jest kondensatorem równolegle z rezystorem napędowym. Vgs to napięcie źródła bramki FET. V_c_drive to napięcie na C_drive po przełączeniu.

Aby szybko włączyć / wyłączyć, mały kondensator można umieścić równolegle z rezystorem. Zakładając, że kondensator jest początkowo rozładowany. Po włączeniu FET prąd przepłynie przez kondensator i nastąpi niemal natychmiastowy podział ładunku między kondensatorem a pojemnością wejściową FET. FET włączy się natychmiast. Twoja prędkość włączania będzie prawie identyczna z tym, co by się stało, gdyby kondensator był krótki na krawędzi fali napędu bramy. Ten sam efekt działa przy wyłączaniu.












Na przykład, jeśli napędzasz FET przez kondensator 10nF z sygnałem sterującym 10V, a całkowity ładunek bramki wynosił 1nC przy Vgs = 10V, wówczas kondensator

ładowałby do ... V_c_drive = 1nC / 10nF = 0,1V
Vgs = 10V - 0,1 V = 9,9 V.

Należy zauważyć, że jest to przybliżone przybliżenie, ponieważ Vgs nie wynosi 10 V, więc Qg jest w rzeczywistości nieco mniej niż zakładano.

Efektem równoległego rezystora bramkowego jest zawsze wytwarzanie napięcia na kondensatorze 0 V. Tak więc po przełączeniu napięcie kondensatora będzie powoli spadać z 0,1 V do 0 V z szybkością stałej czasowej R * C. W cyklu wyłączania ładunek dzieliłby się w drugą stronę, tak aby końcowe napięcie kondensatora wynosiłoby -0,1 V, przy pomiarze w tej samej orientacji, co przy włączeniu.

Pamiętaj, że nie musisz czekać na rozładowanie kondensatora przed wyłączeniem FET. Jeśli miałbyś włączyć FET od razu, a następnie wyłączyć, podział ładunków podczas wyłączania dokładnie anulowałby to, co się stało podczas włączania, a napięcie kondensatora wyniósłoby prawie 0 na koniec cyklu.

Wartość kondensatora powinna być wystarczająco duża, aby całkowity ładunek wyjściowy FET przy pożądanym napięciu sterującym dawał jedynie małe napięcie kondensatora, ale wystarczająco mały, aby nie przepuszczał dużej ilości energii przejściowej. Zazwyczaj powinieneś mieć C_drive> Qg / 1V.

Wielkość oporu, jaki można zastosować, zależy od najgorszego przypadku prądu upływu bramki w arkuszu danych MOSFET, a także od wycieku Zenera. Ważne jest to, że całkowity czas upływu rezystancji szeregowej musi być znacznie mniejszy niż napięcie progowe MOSFET powyżej temperatury.

Na przykład, jeśli napięcie progowe FET wynosi 3 V, wówczas prąd upływu R * musi być znacznie mniejszy niż 3 V. Chodzi o to, aby nie dopuścić do przeciekania przytłoczenia rezystora i tworzenia polaryzacji prądu stałego, która utrzymuje FET włączony lub wyłączony w niewłaściwym czasie.

Większość tranzystorów polowych podaje w arkuszu danych wyciek bramki poniżej 1uA maks. Większość zenerów wycieka kilka uA, a przeciek wzrasta wykładniczo wraz z temperaturą. Więc zener odpowiada za większość wycieków z bramki. Moim zdaniem 100 K lub 10 K jest bardziej odpowiednie niż 1MEG.