¿Cómo diseñar el valor de la resistencia de puerta?

Si seleccionó este controlador, que tiene una gran corriente de salida (7A), supongo que necesita esta corriente de controlador de compuerta para cambiar un FET muy grande muy rápido.

La resistencia de la compuerta solo ralentizará las cosas al reducir la corriente de activación de la compuerta, por lo que su valor óptimo es cero ohmios. Su valor máximo depende de pérdidas de conmutación aceptables (una conmutación más lenta provoca más pérdidas de conmutación).

Sin embargo, la resistencia de puerta todavía puede tener usos:

• Reduzca la velocidad de la conmutación para reducir la EMI. Pero en este caso, también puede usar un controlador más débil (más barato).
• Reduzca el pico de corriente extraído del suministro durante el encendido del MOSFET. Si el desacoplamiento local no es lo suficientemente bueno, esta corriente podría hacer que VCC se hunda, lo que activaría el UVLO del chip. Afortunadamente, el pinout del chip facilita lograr un desacoplamiento de baja inductancia.
• En caso de que el diseño sea subóptimo con un recorrido de puerta largo. Esto agrega inductancia en la puerta que puede causar que el MOSFET oscile. Una resistencia amortiguará las oscilaciones, a costa de una conmutación más lenta. Esto es un poco como una curita, es preferible un diseño ajustado.

Aconsejaría colocar una huella de resistencia por si acaso y comenzar con un puente 0R.

Comprender la puerta de un MOSFET

Los MOSFET son dispositivos notables que brindan muchos beneficios cuando se manejan varias cargas. El hecho de que estén accionados por tensión y que, cuando estén encendidos, tengan resistencias muy bajas, los convierte en el dispositivo elegido para muchas aplicaciones.

Sin embargo, cómo funciona realmente la puerta es probablemente una de las características menos entendidas por muchos diseñadores.

Veamos su circuito MOSFET típico.

NOTA: Solo voy a ilustrar los dispositivos de canal N aquí, pero el canal P funciona con los mismos mecanismos.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Entonces, sabemos que el dispositivo funciona con voltaje, entonces, ¿por qué necesitamos$R_{GATE}$. Para entender por qué$R_{GATE}$Es importante que necesitemos aumentar este modelo para incluir las capacidades del MOSFET.

^{simular este circuito}

$R_g$es la resistencia de las patas del dispositivo y el cable de conexión a la puerta misma. Normalmente es un valor muy pequeño en los uno o dos. Los dos condensadores, uno de puerta a fuente$C_{GS}$, el otro de puerta a desagüe$C_{GD}$, sin embargo son significativos.

Para complicar aún más las cosas, esas capacidades no son constantes y cambian según los voltajes aplicados. A continuación se muestra un ejemplo típico.

Puede ver que cuando el dispositivo de control cambia la salida de, digamos, baja a alta, la salida está básicamente fijada a tierra a través de$C_{GS}$y mediante$C_{GD}$. Como tal, la corriente inicial tomada del dispositivo de conducción está limitada por la siguiente ecuación.

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

Dado que el dispositivo de conducción tendrá una corriente de conducción máxima, debe elegir un valor mínimo de$R_{GATE}$para asegurar que ese valor nunca se exceda. Sin embargo, canta$R_g$es pequeño y no siempre es posible determinar las impedancias de fuente y sumidero del controlador, es común reducir la ecuación a simplemente ..

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

NOTA: Es posible usar dos resistencias de compuerta, con diodos asociados si los límites de fuente y sumidero son diferentes en el controlador, o si es necesario agudizar los bordes de encendido o apagado.

Tiempo lo es todo

Ok, ahora quizás puedas ver por qué la resistencia de puerta es importante. Sin embargo, ahora necesita comprender las implicaciones de tener esa resistencia de puerta y qué sucede si es demasiado grande.

Debería ser fácilmente evidente que$R_{GATE}$y$C_{GS}$formar un retraso RC que hará que el voltaje en la puerta aumente más lentamente que la salida del controlador. Sin embargo, ¿qué pasa con$C_{GD}$¿Cómo influye eso?

Analicemos este circuito simple.

Aquí he elegido un MOSFET típico que tiene una resistencia de entrada de alrededor de 2,5 ohmios. Con el drenaje en cortocircuito a tierra como se muestra arriba, se pueden trazar las siguientes trazas en el borde ascendente de los pulsos.

Como puede ver, como predijimos la corriente en$R_{Gate}$inicialmente comienza limitado por las resistencias en 1A y decae exponencialmente a cero. Mientras tanto, el voltaje en la puerta misma aumenta exponencialmente hasta el voltaje de puerta aplicado de 10V. No hay sorpresas aquí, aparte del borde afilado al comienzo de Vg que creo que es un artefacto del simulador, probablemente como resultado de la inductancia de entrada del modelo.

El borde descendente del pulso es, como era de esperar, similar.

Ok, apliquemos un voltaje pequeño, 1V, a la puerta, con una resistencia de carga de 1 Ohm.

Hay tres cosas que debe tener en cuenta en los rastros anteriores.

1. Observe el golpe en$V_{D}$. A medida que aumenta el voltaje en la puerta, la parte superior de$C_{GD}$se empuja hacia arriba por encima del voltaje del riel. Dado que el MOSFET todavía está apagado en este momento,$C_{GD}$debe descargarse a través de la resistencia de carga como se muestra en la traza I(R_LOAD).

2. El MOSFET no se enciende durante aproximadamente 653 nS después del borde del pulso cuando el voltaje de la puerta ha tenido tiempo de cargarse lo suficiente hasta el voltaje de umbral. obviamente haciendo$R_{GATE}$demasiado grande retrasará esto aún más.

3. Si tiene un ojo de águila, también puede notar una ligera desviación en I (R_GATE) a medida que se enciende el MOSFET.

Bien, ahora déjame mostrarte un voltaje más realista con 10 V y 10 ohmios en la carga.

Lo que debería destacarse en lo anterior es el punto plano distintivo en la corriente de la puerta y$V_{gs}$. ¿Qué está causando eso?

Cuándo$V_{GS}$alcanza el umbral de encendido, el dispositivo comienza a conducir y esto provoca$C_{GD}$para comenzar a descargar a través del propio dispositivo. Esto efectivamente "chupa" más corriente a través de la puerta, lo que reduce significativamente la velocidad a la que puede aumentar el voltaje de la puerta. A medida que sube lentamente, el dispositivo se enciende un poco más, descargando$C_{GD}$un poco más rápido, y así sucesivamente hasta que finalmente$C_{GD}$se descarga hasta el mismo nivel que$C_{GS}$. Después de eso, la combinación se carga normalmente y$V_{GS}$vuelve a subir exponencialmente hasta el valor objetivo.

En este punto, algo debería haberse vuelto evidente para ti. Es decir...

¡El retardo de encendido está cambiando con el voltaje de carga!

Por supuesto, esto se debe a que cuanto mayor sea el voltaje que está cambiando, más energía se almacena en$C_{GD}$y más carga tiene que pasar por la compuerta para descargarla.

Subamos al máximo que este dispositivo puede manejar, 300 V, aún con una carga de 1 A.

Observe que el punto plano ahora es MUY largo. El dispositivo permanece en modo lineal y tarda mucho más en encenderse por completo. De hecho tuve que expandir la base de tiempo en esta imagen. La corriente de puerta ahora se mantiene durante alrededor de 6uS.

Mirando el tiempo de apagado es aún peor en este ejemplo.

Tenga en cuenta los puntos planos similares en la corriente de la puerta y el voltaje de la puerta como$C_{GD}$las cargas retroceden y se hacen más largas debido a la inclusión de la resistencia de carga en la ruta de carga.

Esto significa que si está modulando la potencia a una carga, la frecuencia a la que puede conducirla depende en gran medida del voltaje que está cambiando.

¿Qué tipo de trabajo a 100Khz a 10V... con una corriente de puerta promedio de unos 400mA...

No tiene esperanza a 300V.

A estas frecuencias, la potencia disipada en el MOSFET, la resistencia de puerta y el controlador probablemente será suficiente para destruirlos.

Conclusión

Además de los usos simples de baja frecuencia, el ajuste fino de los MOSFET para que funcionen con voltajes y frecuencias más altos requiere una cantidad considerable de desarrollo cuidadoso para extraer las características que pueda necesitar. Cuanto más alto vaya, más potente debe ser el controlador MOSFET para que pueda usar la menor resistencia de puerta posible.

Bien hecho V_GS = I1 R_G = R_G C_GD * dv/dt