Чому (не) ставити резистор на ворота FET?

Розмірковуючи про способи захисту MOSFET, одна ідея полягала в тому, щоб поставити надзвичайно високий опір перед воротами: ідея полягала в тому, що струм ніколи не повинен протікати через ворота, тому, якщо якийсь перехідний загрожує воротам, опір обмежує це струму, можливо, запобігання вигорянню БНТ.

Насправді, досліджуючи захист MOSFET, я натрапив на цей інтегрально захищений продукт, який включає в себе свої особливості "внутрішній серіальний опір ворота", як показано на його діаграмі:

Якщо ця ідея правильна, тоді виникає питання: чому б не завжди поставити мегаомний резистор перед воротами будь-якого БНТ?

Або є практична причина, що резистор затвора зазвичай не захищає FET? Або це може мати навіть несприятливі наслідки для продуктивності?

Джерело воріт по суті є конденсатором. Тож для цього високого резистора зарядити буде потрібно дуже багато часу. MOSFET включається лише тоді, коли конденсатор затвора буде заряджений вище деякого рівня (порогова напруга), тому у вас буде дуже повільна комутація.

Причина, яку часто використовують драйвери воріт, полягає в тому, що вони здатні швидко заряджати конденсатор затвора (часто використовуючи струм вище 1А), тому час перемикання можна мінімізувати.

Більше ви можете прочитати тут .

Великі резистори на воротах уповільнюють перемикання MOSFET. Це нормально, коли ви використовуєте MOSFET як перемикач (ON-OFF), але коли ви керуєте мотором на частоті 20 кГц і вище, перемикання повинно бути швидким, щоб мінімізувати втрати тепла (швидше перемикання означає меншу втрату енергії). Зауважте, що резистор, який ви бачите біля воріт, не призначений лише для захисту MOSFET ... він також захищає те, що рухає MOSFET (наприклад, мікроконтролер). Надмірний струм може прискорити і пошкодити штифт вводу / виводу.

Як сказав Дарко, MOSFET є конденсатором, коли ви дивитесь на нього з боку воріт. Заряд, необхідний для повного заряджання цього конденсатора, називається зарядом затвора (ви можете знайти його в таблиці). Після зарядки опір MOSFET (RDS) знижується до мінімального. Таким чином, ви можете зрозуміти, що спроба загнати цю штифту без послідовного опору означає, що високий струм драйвером буде затоплений / джерело (те саме, що струм струму при зарядці конденсатора).

Редагування: повторна інтерпретація значення, показаного на таблиці. Показаний опір не М$\Omega$

Це насправді дуже сповільнює перемикання, коли заряд воріт високий, наприклад, мінімальний час відключення 1,6 мс із навантаженням 15В 1,5А. Час асиметричного перемикання означає, що вони можуть мати діод через резистор, щоб пришвидшити час "включення". При затисканні діод буде зворотно зміщений, як пояснено нижче.

Резистор великої величини, швидше за все, не захистить ворота, це постійні поломки та пошкодження ізоляції, які не такі, як діод. Ось чому ценерові діоди ESD знаходяться на виводі затвора, щоб запобігти надмірній напрузі джерела.

Отже, навіщо взагалі ставити будь-який резистор? Добре, це так, що інші (перенапруга) зунери можуть зробити свою справу. Уявіть, що це найгірший випадок, і ми короткий затвор веде до джерела, а потім садистично збільшуємо напругу на зливі (через деяке зовнішнє навантаження), чекаючи поломки DS. Коли струм через стабілітрони перевищує деякий мА, MOSFET включається і затискає перенапругу.

Власні MOSFET, як правило, не дуже чутливі до ESD через велику ємність воріт. Ворота насправді розбиваються на щось на зразок 50В-100В, як правило, так багато енергії доводиться досягти воріт. Крихітні MOSFET, такі як RF MOSFET, дуже чутливі до ESD в порівнянні. Однак типової моделі людського тіла ESD достатньо для пошкодження навіть середньо великої потужності MOSFET затвора.

Є ще одна причина поставити серійний резистор перед воротами MOSFET - навмисно уповільнити комутацію. Це допомагає мінімізувати швидкість виходу в ланцюг, а отже, може зменшити випромінювані та випромінювані викиди, що може бути корисною технікою ЕМС.

Однак, щоб бути зрозумілим, що абсолютно не те, для чого показаний резистор, - як зазначають інші, саме для збереження затискачів Zeners в безпечній робочій області. Крім того, зауважте, що уповільнення перемикання кромки має негативний вплив (збільшені теплові втрати при перемиканні кромки) на продуктивність ланцюга - тому будь-яке використання цієї методики є компромісом.

Резистор серії воріт може бути використаний, якщо діод стабілітрону також використовується для обмеження напруги джерела затвора менше, ніж Vgs-рейтинг MOSFET. Типовий номінал - 20 В, і буде використано стаціонарне напруга 10 В або 15 В.

Для швидкого включення / вимикання паралельно резистору можна розмістити невеликий конденсатор. Припускаючи, що конденсатор спочатку розряджається. При включенні струму FET буде протікати через конденсатор, і між конденсатором і вхідною ємністю FET буде майже миттєвий поділ заряду. FET вмикається миттєво. Швидкість увімкнення буде майже однаковою, як це було б, якби конденсатор був короткий під час краю сигналу приводу затвора. Такий же ефект діє і при розвороті.

Підрозділ заряду затвора працює наступним чином. Якщо припустимо, що напруга та напруга на конденсаторі спочатку становлять 0, то при включенні ...

V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive - напруга приводу затвора.
Qg - загальний заряд затвора, наведений у таблиці FET для даного Vgs = V_drive
C_drive є конденсатором паралельно резистору приводу.
Vgs - це джерело напруги джерела FET.
V_c_drive - це напруга через C_drive після вимикача.

Наприклад, якщо ви керуєте FET через 10nF конденсатор із сигналом 10V приводу, а загальний заряд затвора становив 1nC при Vgs = 10V, тоді конденсатор заряджається до ...

V_c_drive = 1nC / 10nF = 0,1
V Vgs = 10V - 0,1 V = 9,9 В

Зверніть увагу, це, звичайно, наближення, оскільки Vgs не 10 В, тому Qg насправді трохи менше, ніж передбачалося.

Ефект паралельного резистора затвора завжди полягає в тому, щоб напруга через конденсатор становила 0В. Тож після вимикання напруга конденсатора повільно знизиться з 0,1 В до 0 В зі швидкістю постійної часу R * C. У циклі відключення заряд поділиться іншим способом, тому кінцеве напруга конденсатора буде -0,1 В при вимірюванні з тією ж орієнтацією, що використовується при включенні.

Зауважте, що вам не потрібно чекати, коли конденсатор розрядиться, перш ніж вимкнути FET. Якби ви перемикали FET увімкнено, а потім вимкнули одразу поділ заряду при відключенні, це точно скасувало б те, що сталося під час включення, а напруга конденсатора становило б майже 0 в кінці циклу.

Значення конденсатора повинно бути достатньо великим, щоб загальний заряд заряду FET при бажаній напрузі приводу давав лише малу напругу конденсатора, але досить малу, щоб не пропускати багато перехідної енергії. Зазвичай у вас повинен бути C_drive> Qg / 1V.

Об'єм опору, який ви можете використовувати, залежить від найгіршого випадку струму витоку затвора в таблиці MOSFET, а також від вашої витоки. Важливим моментом є те, що загальний витік, менший за опір серії, повинен бути значно меншим за порогову напругу MOSFET над температурою.

Наприклад, якщо порогова напруга FET дорівнює 3 В, то струм витоку R * повинен бути набагато меншим, ніж 3 В. Сенс полягає в тому, щоб запобігти витоку не перевантажувати резистор і створити зміщення постійного струму, яке утримує або вимикає FET в неправильний час.

Більшість БНТ перераховують витоки затвора в межах максимум 1уА макс. Більшість зерен просочується декількома uA, і витік збільшується експоненціально з температурою. Таким чином, стабілітра припадає на більшість витоків воріт. Тож 100К або 10К, напевно, більше підходить, ніж 1МЕГ на мою думку.