Почему (не) поставить резистор на затворе FET?

Размышляя о способах защиты МОП-транзистора, одной из идей было поставить чрезвычайно высокое сопротивление перед воротами: идея заключалась в том, что ток никогда не должен протекать через ворота, поэтому, если какой-то переходный процесс угрожает воротам, сопротивление будет ограничивать это. ток, возможно, предотвращающий сгорание FET.

Фактически, исследуя защиту MOSFET, я наткнулся на этот интегрально защищенный продукт, который включает в свои функции «внутреннее последовательное сопротивление затвора», как показано на его диаграмме:

Если эта идея верна, то возникает вопрос: почему не всегда ставить резистор мегаом перед входом любого полевого транзистора?

Или есть практическая причина, по которой резистор затвора обычно не защищает полевой транзистор? Или это может иметь какие-либо негативные последствия для производительности?

Источником затвора является конденсатор. Так что с этим высоким резистором, зарядка займет очень много времени. МОП-транзистор включается только тогда, когда конденсатор затвора заряжается выше некоторого уровня (пороговое напряжение), поэтому переключение будет очень медленным.

Причина, по которой драйверы затвора часто используются, заключается в том, что они способны быстро заряжать конденсатор затвора (часто используя ток выше 1 А), поэтому время переключения можно минимизировать.

Вы можете прочитать больше здесь .

Большие резисторы на затворе замедляют переключение полевого МОП-транзистора. Это нормально, когда вы используете МОП-транзистор в качестве переключателя (ВКЛ-ВЫКЛ), но когда вы управляете двигателем с частотой 20 кГц и выше, переключение должно быть быстрым, чтобы минимизировать тепловые потери (более быстрое переключение означает меньшую потерю мощности). Обратите внимание, что резистор, который вы видите у ворот, предназначен не только для защиты MOSFET ... он также защищает все, что управляет MOSFET (например, микроконтроллер). Избыточный ток может вырваться и повредить вывод ввода-вывода.

Как сказал Дарко, MOSFET - это конденсатор, если смотреть на него со стороны затвора. Заряд, необходимый для полной зарядки этого конденсатора, называется зарядом затвора (вы можете найти его в техническом описании). После зарядки сопротивление MOSFET (RDS) уменьшается до минимума. Таким образом, вы можете понять, что попытка управлять этим выводом без последовательного сопротивления означает, что драйвер будет втягивать / получать большой ток (такой же, как пусковой ток при зарядке конденсатора).

$\Omega$

Это действительно замедляет переключение при высоком заряде затвора, например, минимальное время выключения 1,6 мс при нагрузке 15 В 1,5 А. Асимметричное время переключения подразумевает, что они могут иметь диод на резисторе для ускорения времени включения. При зажиме диод будет смещен в обратном направлении, как описано ниже.

Резистор большого значения вряд ли защитит затвор в любом случае, это постоянный пробой и повреждение изоляции, которое не похоже на пробой диода. Вот почему стабилитроны ESD находятся на проводе затвора, чтобы предотвратить чрезмерное напряжение затвор-источник.

Итак, зачем вообще вставлять туда резистор, спросите вы? Ну, это так, что другие (перенапряжения) стабилитроны могут делать свое дело. Представьте себе наихудший случай, и мы закорачиваем вывод затвора на источник, а затем садистически увеличиваем напряжение на стоке (через некоторую внешнюю нагрузку), ожидая пробоя DS. Когда ток через стабилитроны превышает несколько мА, полевой МОП-транзистор включается и подавляет перенапряжение.

Силовые МОП-транзисторы, как правило, не очень чувствительны к электростатическому разряду из-за большой емкости затвора. Ворота на самом деле выходят из строя, например, на 50 В - 100 В, поэтому для их достижения требуется много энергии. Крошечные МОП-транзисторы, такие как РЧ-МОП-транзисторы, очень чувствительны к ОУР по сравнению. Тем не менее, типичной модели человеческого тела ESD достаточно, чтобы повредить даже ворота MOSFET средней мощности.

Есть еще одна причина, чтобы поместить последовательный резистор перед затвором MOSFET - чтобы сознательно замедлить переключение. Это помогает минимизировать скорости нарастания в цепи и, следовательно, может снизить кондуктивные и излучаемые излучения, что может быть полезным методом ЭМС.

Однако, чтобы было ясно, что это совсем не то, для чего показан показанный резистор - как уже отмечали другие, то есть для того, чтобы держать зажимные стабилитроны в безопасной рабочей области. Кроме того, обратите внимание, что замедление переключающих фронтов оказывает отрицательное влияние (увеличение тепловых потерь на переключающих фронтах, равное единице) на производительность схемы - как таковое любое использование этого метода является компромиссом.

Последовательный резистор затвора можно использовать, если стабилитрон также используется для ограничения напряжения источника затвора до значения, меньшего значения Vgs МОП-транзистора. Типичное значение составляет 20 В, и можно использовать стабилитрон 10 В или 15 В.

Для быстрого включения / выключения маленький конденсатор можно разместить параллельно с резистором. Предполагая, что конденсатор изначально разряжен. При включении FET ток будет проходить через конденсатор и будет происходить практически мгновенное разделение заряда между конденсатором и входной емкостью FET. FET включится мгновенно. Ваша скорость включения будет почти такой же, как и в случае короткого замыкания конденсатора на краю волны возбуждения затвора. Тот же эффект работает при выключении.

Разделение заряда затвора работает следующим образом. Предполагая, что напряжение затвора и напряжение на конденсаторе изначально равны 0, затем при включении ...

V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive - это напряжение возбуждения затвора.
Qg - суммарный заряд затвора, указанный в спецификации FET для данного Vgs = V_drive.
C_drive - конденсатор, параллельный резистору привода.
Vgs - напряжение источника затвора FET.
V_c_drive - это напряжение на C_drive после переключателя.

Например, если вы управляете полевым транзистором через конденсатор 10 нФ с сигналом возбуждения 10 В, а суммарный заряд затвора составляет 1 нК при Vgs = 10 В, тогда конденсатор будет заряжаться до ...

V_c_drive = 1 нК / 10 нФ = 0,1 В
Vgs = 10 В - 0,1 V = 9,9 В

Обратите внимание, что это, конечно, приближение, поскольку Vgs не 10 В, поэтому Qg на самом деле немного меньше, чем предполагалось.

Эффект резистора с параллельным затвором заключается в том, что напряжение на конденсаторе всегда стремится к нулю. Таким образом, после переключения напряжение на конденсаторе будет медленно падать с 0,1 В до 0 В со скоростью постоянной времени R * C. В цикле выключения заряд делится по-другому, поэтому конечное напряжение конденсатора будет равно -0,1 В при измерении с той же ориентацией, которая использовалась при включении.

Обратите внимание, что вам не нужно ждать разрядки конденсатора, прежде чем выключать FET. Если бы вы сразу включили FET, а затем сразу же выключили, разделение заряда при выключении точно отменило бы то, что произошло во время включения, и напряжение конденсатора было бы почти 0 в конце цикла.

Значение конденсатора должно быть достаточно большим, чтобы общий заряд затвора полевого транзистора при желаемом напряжении возбуждения давал только небольшое напряжение конденсатора, но достаточно мал, чтобы не пропускать много переходной энергии. Обычно вы должны иметь C_drive> Qg / 1V.

Величина сопротивления, которое вы можете использовать, зависит от наихудшего тока утечки на затворе в спецификации MOSFET, а также от утечки вашего стабилитрона. Важным моментом является то, что общее время утечки последовательного сопротивления должно быть намного меньше, чем пороговое напряжение MOSFET по температуре.

Например, если ваше пороговое напряжение FET равно 3 В, тогда R * leakage_current должно быть намного меньше, чем 3 В. Смысл состоит в том, чтобы предотвратить утечку из-за перегрузки резистора и создания смещения постоянного тока, которое удерживает FET в неправильное время.

Большинство полевых транзисторов в своей спецификации указывают утечку затвора не более 1 мкА. Большинство стабилитронов протекает на несколько мкА, и утечка увеличивается экспоненциально с температурой. Таким образом, на стабилитроны приходится большая часть утечек через затвор. Так что 100К или 10К, вероятно, более уместны, чем 1МЭГ, на мой взгляд.