Как рассчитать значение резистора затвора?

Это спецификация микросхемы драйвера, над которой я работаю (LM5112).

Ниже приведена схема применения модуля.

По сути, это схема драйвера GATE для MOSFET с сигналом PDM в качестве входа. Я ищу, как рассчитать значение входного резистора MOSFET (R3)?

Входное напряжение MOSFET (VDS) = 10 В Требуемая выходная мощность составляет 200 Вт.

Вопросы:

1) Как рассчитать входной резистор MOSFET?

2) Какие факторы влияют на расчет входного резистора MOSFET?

3) Каким будет максимальное, минимальное возможное значение резистора и влияние на цепь, если значение резистора изменяется (увеличивается или уменьшается)?

Пожалуйста, дайте мне знать, если требуется дополнительная информация.

Если вы выбрали этот драйвер с огромным выходным током (7А), то я предполагаю, что вам нужен этот ток привода затвора для очень быстрого переключения очень большого полевого транзистора.

Резистор затвора будет только замедлять процесс, уменьшая ток привода затвора, поэтому его оптимальное значение равно нулю. Его максимальное значение зависит от допустимых потерь на переключение (более медленное переключение вызывает большие потери на переключение).

Затвор резистор может по-прежнему использовать:

• Замедлите переключение, чтобы уменьшить EMI. Но в этом случае вы также можете использовать более слабый (более дешевый) драйвер.
• Уменьшите текущий скачок, потребляемый от источника питания при включении MOSFET. Если локальная развязка недостаточно хороша, этот ток может привести к провалу VCC, вызывая UVLO чипа. К счастью, распиновка микросхемы позволяет легко добиться развязки с низкой индуктивностью.
• В случае, если компоновка неоптимальная с длинной трассировкой ворот. Это добавляет индуктивность в затвор, что может вызвать колебание MOSFET. Резистор будет гасить колебания за счет более медленного переключения. Это что-то вроде лейкопластыря, предпочтительнее плотная компоновка.

Я бы посоветовал поставить резистор на всякий случай и начать с перемычки 0R.

Понимание ворот MOSFET

МОП-транзисторы являются замечательными устройствами, которые обеспечивают много преимуществ при движении различных грузов. Тот факт, что они управляются напряжением и имеют очень низкое сопротивление, когда они включены, делает их предпочтительным устройством для многих применений.

Однако то, как на самом деле работают ворота, вероятно, является одной из наименее понятных характеристик для многих дизайнеров.

Давайте посмотрим на вашу типичную схему MOSFET.

ПРИМЕЧАНИЕ. Я собираюсь проиллюстрировать здесь только устройства N-Channel, но P-Channel работает по тем же механизмам.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Итак, мы знаем, что устройство управляется напряжением, поэтому зачем нам . Чтобы понять, почему важен, нам нужно расширить эту модель, включив в нее емкости MOSFET.$R_{GATE}$$R_{GATE}$

^{смоделировать эту схему}

$R_g$ - сопротивление ножек устройства и провода связи с самим затвором. Обычно это очень небольшое значение в единицах или двойках. Два конденсатора, один от затвора к источнику , другой от затвора до стока , тем не менее, имеют большое значение.$C_{GS}$$C_{GD}$

Чтобы еще более усложнить ситуацию, эти емкости не являются постоянными и изменяются в зависимости от приложенных напряжений. Типичный пример показан ниже.

Вы можете видеть, что, когда приводное устройство переключает выходной сигнал, скажем, с низкого на высокий, выход в основном прикрепляется к земле через и через . Как таковой, начальный ток, взятый от приводного устройства, связан следующим уравнением:$C_{GS}$$C_{GD}$

$I_{gate} = V_{Gate}/(R_{source} + R_{GATE} + R_g)$

Поскольку приводное устройство будет иметь максимальный ток возбуждения, вам нужно выбрать минимальное значение чтобы оно никогда не превышалось. Тем не менее, невелико, и не всегда можно определить сопротивление источника и приемника драйвера, обычно это уравнение сводится к простому.$R_{GATE}$$R_g$

$R_{GATE} = V_{Gate}/(I_{max})$

ПРИМЕЧАНИЕ. Можно использовать два резистора затвора со связанными диодами, если в драйвере разные пределы источника и поглотителя, или необходимо заострить края включения или выключения.

Сроки это все

Итак, теперь, возможно, вы можете понять, почему резистор затвора важен. Однако теперь вам нужно понять последствия наличия этого сопротивления ворот и что произойдет, если оно слишком велико.

Должно быть очевидно, что и формируют RC-задержку, которая заставит напряжение на затворе расти медленнее, чем на выходе драйвера. Однако как насчет как этот фактор в.$R_{GATE}$$C_{GS}$$C_{GD}$

Давайте проанализируем эту простую схему.

Здесь я выбрал типичный МОП-транзистор с входным сопротивлением около 2,5 Ом. При сливе, замкнутом на землю, как показано выше, могут быть нанесены следующие следы на переднем крае пулов.

Как вы можете видеть, как мы и предсказывали, ток в изначально начинается с сопротивления в 1A и экспоненциально затухает до нуля. Между тем напряжение на самом затворе экспоненциально возрастает до приложенного напряжения на затворе 10 В. Здесь нет ничего удивительного, кроме острого края в начале Vg, которое я считаю артефактом симулятора, вероятно, в результате входной индуктивности модели.$R_{Gate}$

Падение фронта пульса, что неудивительно, похоже.

Итак, давайте подадим небольшое напряжение, 1 В, на затвор с нагрузочным резистором 1 Ом.

Есть три вещи, которые вы должны отметить в приведенных выше следах.

1. Обратите внимание на удар в . Когда напряжение на затворе возрастает, верх поднимается выше напряжения на шине. Поскольку в это время MOSFET все еще выключен, должен разряжаться через нагрузочный резистор, как показано на кривой I (R_LOAD).$V_{D}$$C_{GD}$$C_{GD}$

2. МОП-транзистор не включается примерно на 653 нс после фронта импульса, когда напряжение затвора успело зарядиться в достаточной степени до порогового напряжения. Очевидно, что слишком большое задержит это еще больше.$R_{GATE}$

3. Если у вас зоркий глаз, вы также можете заметить небольшое отклонение в I (R_GATE) при включении MOSFET.

Хорошо, теперь позвольте мне показать вам более реалистичное напряжение при нагрузке 10 В и 10 Ом.

То, что должно выделиться вам выше, это четкое плоское пятно в токе затвора и . Что вызывает это?$V_{gs}$

Когда достигает порога включения, устройство начинает работать, и это приводит к тому, что начинает разряжаться через само устройство. Это эффективно «всасывает» больше тока через затвор, что значительно снижает скорость, с которой напряжение затвора может расти. Когда он медленно поднимается, устройство включается немного больше, разряжая немного быстрее, и так далее, пока в конечном итоге не разрядится до того же уровня, что и . После этого комбинация заряжается как обычно, и снова экспоненциально возрастает до целевого значения.$V_{GS}$$C_{GD}$$C_{GD}$$C_{GD}$$C_{GS}$$V_{GS}$

В этот момент что-то должно было стать для вас очевидным. Это...

Задержка включения меняется в зависимости от напряжения нагрузки!

Это, конечно, потому что чем выше напряжение, которое вы переключаете, тем больше энергии сохраняется в и тем больше заряда должно пройти через затвор, чтобы разрядить его.$C_{GD}$

Позволяет увеличить его до максимума, который может выдержать это устройство, 300 В, при нагрузке 1 А.

Обратите внимание, что плоское пятно теперь ОЧЕНЬ длинное. Устройство остается в линейном режиме и требует больше времени для полного включения. На самом деле мне пришлось расширить временную базу в этом изображении. В настоящее время ток затвора поддерживается около 6 мкс.

Если посмотреть на время выключения, то в этом примере это еще хуже.

Обратите внимание на такие же плоские пятна на токе затвора и напряжении на затворе, что и заряжает обратно, которые сделаны дольше из-за включения сопротивления нагрузки в путь зарядки.$C_{GD}$

Это означает, что если вы модулируете мощность на нагрузку, частота, на которой вы можете управлять ей, сильно зависит от напряжения, которое вы переключаете.

Какой тип работает на 100 кГц при 10 В ... со средним током затвора около 400 мА ...

Не имеет надежды на 300В.

На этих частотах мощности, рассеиваемой в полевом МОП-транзисторе, резисторе затвора и драйвере, вероятно, будет достаточно для их разрушения.

Вывод

Помимо простых низкочастотных применений, точная настройка MOSFETS для работы при более высоких напряжениях и частотах требует значительного тщательного развития, чтобы получить характеристики, которые могут вам потребоваться. Чем выше вы идете, тем мощнее должен быть драйвер MOSFET, чтобы вы могли использовать как можно меньшее сопротивление затвора.