Perché (non) mettere un resistore sul gate FET?

Mentre pensavo ai modi per proteggere un MOSFET, l' idea era quella di mettere una resistenza estremamente alta davanti al cancello: l'idea è che la corrente non dovrebbe mai fluire attraverso il cancello, quindi se un transitorio minacciasse il cancello, la resistenza limiterebbe che corrente, probabilmente impedendo al FET di esaurirsi.

Infatti, durante la ricerca della protezione MOSFET mi sono imbattuto in questo prodotto integralmente protetto che include nelle sue caratteristiche "resistenza interna in serie", come mostrato nel suo diagramma:

Se questa idea è corretta, la domanda è: perché non mettere sempre un resistore megaohm davanti al gate di qualsiasi FET?

Oppure esiste un motivo pratico per cui un resistore di gate non protegge in genere il FET? O potrebbe anche avere effetti negativi sulle prestazioni?

La sorgente di gate è essenzialmente un condensatore. Quindi, con questo resistore alto, ci vorrebbe molto tempo per caricarlo. Il MOSFET si accenderà solo quando il condensatore di gate viene caricato oltre un certo livello (la tensione di soglia), quindi si avrà una commutazione molto lenta.

Il motivo per cui i driver di gate vengono spesso utilizzati è perché sono in grado di caricare rapidamente il condensatore di gate (spesso utilizzando una corrente superiore a 1A) in modo da ridurre al minimo i tempi di commutazione.

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Grandi resistori sul gate rallentano la commutazione del MOSFET. Questo va bene quando si utilizza il MOSFET come interruttore (ON-OFF) ma quando si guida un motore a una frequenza di 20kHZ e oltre, la commutazione dovrebbe essere rapida per ridurre al minimo le perdite di calore (la commutazione più veloce significa meno potenza persa). Nota che il resistore che vedi al gate non è destinato solo a proteggere il MOSFET ... protegge anche tutto ciò che sta guidando il MOSFET (ad esempio: un microcontrollore). Una corrente eccessiva può precipitare e danneggiare il pin I / O.

Come diceva Darko, il MOSFET è un condensatore quando lo guardi dal lato del cancello. La carica necessaria per caricare completamente questo condensatore è chiamata carica di gate (la puoi trovare nella scheda tecnica). Una volta caricata, la resistenza del MOSFET (RDS) diminuisce al minimo. Quindi puoi capire che provare a guidare questo pin senza una resistenza in serie significa che il driver verrà affondato / alimentato da corrente elevata (uguale alla corrente di spunto quando si carica un condensatore).

Modifica: reinterpretazione del valore mostrato nel foglio dati. La resistenza mostrata non è M$\Omega$, molto più basso, più simile a 3400 ohm basato sulla variazione dei tempi di commutazione con resistenza di gate esterna.

Ciò infatti rallenta davvero la commutazione quando la carica del gate è elevata, come il tempo di commutazione minimo di 1,6 ms con un carico di 15 V 1,5 A. Il tempo di commutazione asimmetrico implica che potrebbero effettivamente avere un diodo attraverso il resistore per accelerare il tempo di accensione. Il diodo sarà polarizzato al contrario durante il serraggio, come spiegato di seguito.

Un resistore di grande valore probabilmente non proteggerà comunque il gate, è un guasto permanente e un danno di isolamento che si verifica, non come un guasto del diodo. Ecco perché i diodi zener ESD sono sul conduttore del gate, per evitare un'eccessiva tensione del gate-source.

Quindi, perché mettere qualche resistenza lì dentro che chiedi? Bene, è così che gli altri zener (di sovratensione) possono fare le loro cose. Immagina il caso peggiore e cortocircuitando il cancello porta alla sorgente, quindi aumentiamo sadicamente la tensione sullo scarico (attraverso un carico esterno) in attesa del guasto del DS. Quando la corrente attraverso i diodi zener supera alcuni mA, il MOSFET si attiva e blocca la sovratensione.

I MOSFET di potenza in genere non sono comunque molto sensibili all'ESD, a causa della grande capacità del gate. Il cancello in realtà si rompe a qualcosa come 50 V-100 V in genere, quindi molta energia deve raggiungere il cancello. In confronto, piccoli MOSFET come i MOSFET RF sono molto sensibili all'ESD. Tuttavia, il tipico modello di ESD del corpo umano è sufficiente a danneggiare anche un gate MOSFET di potenza moderatamente grande.

C'è un altro motivo per mettere un resistore in serie davanti a un gate MOSFET - per rallentare deliberatamente la commutazione. Ciò aiuta a ridurre al minimo le velocità di risposta nel circuito e quindi a ridurre le emissioni condotte e irradiate, che può essere un'utile tecnica EMC.

Tuttavia, per essere chiaro che è assolutamente non ciò la resistenza mostrata è incluso per - come altri hanno notato, che è lì per mantenere le Zeners bloccaggio nella regione di funzionamento sicuro. Inoltre, si noti che il rallentamento dei fronti di commutazione ha effetti negativi (maggiori perdite termiche sui fronti di commutazione sono una cosa sola) sulle prestazioni del circuito - in quanto tale uso di questa tecnica è un compromesso.

È possibile utilizzare un resistore serie gate se si utilizza anche un diodo zener per limitare la tensione della sorgente gate a un valore inferiore al valore Vgs del MOSFET. Il valore nominale è di 20 V e verrebbe utilizzato uno zener da 10 V o 15 V.

Per accendere / spegnere velocemente, è possibile posizionare un piccolo condensatore in parallelo con la resistenza. Supponendo che il condensatore sia inizialmente scaricato. Quando si accende la corrente FET scorrerà attraverso il condensatore e ci sarà una divisione della carica quasi istantanea tra il condensatore e la capacità di ingresso del FET. Il FET si accenderà all'istante. La velocità di accensione sarà quasi identica a ciò che accadrebbe se il condensatore fosse in corto durante il bordo della forma d'onda del gate drive. Lo stesso effetto funziona al turnoff.

La divisione di carica del gate funziona come segue. Supponendo che la tensione e la tensione del gate attraverso il condensatore siano inizialmente 0, quindi

all'accensione ... V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive è la tensione del gate drive.
Qg è la carica di gate totale elencata nel foglio dati FET per il dato Vgs = V_drive
C_drive è il condensatore in parallelo con la resistenza del convertitore.
Vgs è la tensione della sorgente del gate FET.
V_c_drive è la tensione attraverso C_drive dopo il passaggio.

Ad esempio, se si guida il FET attraverso un condensatore da 10nF con un segnale di azionamento da 10 V e la carica totale del gate era 1nC a Vgs = 10V, il condensatore si

caricava a ... V_c_drive = 1nC / 10nF = 0.1V
Vgs = 10V - 0.1 V = 9,9 V.

Si noti che questa è ovviamente un'approssimazione poiché Vgs non è 10 V, quindi Qg è in realtà leggermente inferiore a quanto ipotizzato.

L'effetto del resistore di gate parallelo è di tendere sempre a rendere la tensione attraverso il condensatore 0V. Quindi dopo l'interruttore la tensione del condensatore cadrà lentamente da 0,1 V a 0 V alla velocità della costante di tempo R * C. In un ciclo di spegnimento la carica si dividerebbe nell'altro modo, quindi la tensione del condensatore finale sarebbe di -0,1 V quando misurata con lo stesso orientamento utilizzato all'accensione.

Si noti che non è necessario attendere che il condensatore si scarichi prima di spegnere il FET. Se si accendesse il FET da on e poi si spegnesse immediatamente la divisione di carica nello spegnimento annullerebbe esattamente ciò che è accaduto durante l'accensione e la tensione del condensatore sarebbe quasi 0 alla fine del ciclo.

Il valore del condensatore dovrebbe essere abbastanza grande da far sì che la carica di gate totale del FET alla tensione di azionamento desiderata produca solo una piccola tensione di condensatore, ma abbastanza piccola da non far passare molta energia transitoria. In genere dovresti avere C_drive> Qg / 1V.

La quantità di resistenza che è possibile utilizzare dipende dalla corrente di dispersione del gate peggiore nel foglio dati MOSFET e dalla perdita di zener. Il punto importante è che la perdita totale per la resistenza in serie deve essere molto inferiore alla tensione di soglia MOSFET per sovratemperatura.

Ad esempio, se la tensione della soglia FET è 3V, allora R * leakage_current deve essere molto inferiore a 3V. Il punto è prevenire che la perdita travolga la resistenza e la creazione di una polarizzazione CC che mantiene il FET acceso o spento al momento sbagliato.

La maggior parte delle FET elenca una perdita di gate inferiore a 1uA max nel loro foglio dati. La maggior parte degli zener perde diversi uA e la perdita aumenta esponenzialmente con la temperatura. Quindi lo zener rappresenta la maggior parte della perdita del gate. Quindi 100K o 10K sono probabilmente più appropriati di 1MEG secondo me.