Wie gestaltet man den Wert des Gate-Widerstands?

Wenn Sie diesen Treiber ausgewählt haben, der einen enormen Ausgangsstrom (7 A) hat, dann nehme ich an, dass Sie diesen Gate-Treiberstrom benötigen, um einen sehr großen FET sehr schnell zu schalten.

Der Gate-Widerstand verlangsamt die Dinge nur, indem er den Gate-Treiberstrom reduziert, sodass sein optimaler Wert null Ohm beträgt. Sein Maximalwert hängt von akzeptablen Schaltverlusten ab (langsameres Schalten verursacht mehr Schaltverluste).

Der Gate-Widerstand kann jedoch immer noch verwendet werden:

• Verlangsamen Sie das Schalten, um EMI zu reduzieren. Aber in diesem Fall können Sie auch einen schwächeren (günstigeren) Treiber verwenden.
• Reduzieren Sie die Stromspitze, die während des Einschaltens des MOSFET aus der Versorgung gezogen wird. Wenn die lokale Entkopplung nicht gut genug ist, könnte dieser Strom VCC durchhängen lassen und den UVLO des Chips auslösen. Glücklicherweise macht es die Pinbelegung des Chips einfach, eine niederinduktive Entkopplung zu erreichen.
• Falls das Layout mit einer langen Gate-Leiterbahn nicht optimal ist. Dies fügt dem Gate eine Induktivität hinzu, die den MOSFET zum Schwingen bringen kann. Ein Widerstand dämpft die Schwingungen auf Kosten eines langsameren Schaltens. Dies ist ein bisschen wie ein Pflaster, ein straffes Layout ist vorzuziehen.

Ich würde raten, für alle Fälle einen Widerstands-Footprint zu setzen und mit einem 0R-Jumper zu beginnen.

Das Gate eines MOSFET verstehen

MOSFETs sind bemerkenswerte Geräte, die beim Treiben verschiedener Lasten viele Vorteile bieten. Die Tatsache, dass sie spannungsgesteuert sind und im eingeschalteten Zustand sehr niedrige Widerstände haben, machen sie für viele Anwendungen zum Gerät der Wahl.

Wie das Tor tatsächlich funktioniert, ist jedoch wahrscheinlich eine der am wenigsten verstandenen Eigenschaften für viele Designer.

Schauen wir uns Ihre typische MOSFET-Schaltung an.

HINWEIS: Ich werde hier nur N-Kanal-Geräte veranschaulichen, aber P-Kanal funktioniert nach denselben Mechanismen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Wir wissen also, dass das Gerät spannungsgesteuert ist, also warum brauchen wir es?$R_{GATE}$. Um zu verstehen warum$R_{GATE}$Es ist wichtig, dass wir dieses Modell erweitern müssen, um die Kapazitäten des MOSFET einzubeziehen.

^{Simulieren Sie diese Schaltung}

$R_g$ist der Widerstand der Geräteschenkel und des Bonddrahts zum Gate selbst. Es ist normalerweise ein sehr kleiner Wert im Einer- oder Zweierbereich. Die beiden Kondensatoren, einer von Gate zu Source$C_{GS}$, der andere vom Gate zum Drain$C_{GD}$, sind jedoch signifikant.

Um die Sache noch komplizierter zu machen, sind diese Kapazitäten nicht konstant und ändern sich in Abhängigkeit von den angelegten Spannungen. Ein typisches Beispiel ist unten gezeigt.

Sie können sehen, dass, wenn das Treibergerät den Ausgang beispielsweise von niedrig auf hoch schaltet, der Ausgang im Grunde genommen auf Masse gelegt wird$C_{GS}$Und durch$C_{GD}$. Daher ist der vom Treibergerät entnommene Anfangsstrom durch die folgende Gleichung gebunden.

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

Da das Antriebsgerät einen maximalen Antriebsstrom haben wird, müssen Sie einen Mindestwert von wählen$R_{GATE}$um sicherzustellen, dass der Wert nie überschritten wird. Allerdings versengen$R_g$klein ist und es nicht immer möglich ist, die Quellen- und Senkenimpedanzen des Treibers zu bestimmen, ist es üblich, die Gleichung auf einfach zu reduzieren.

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

HINWEIS: Es ist möglich, zwei Gate-Widerstände mit zugehörigen Dioden zu verwenden, wenn die Quellen- und Senkengrenzen im Treiber unterschiedlich sind, oder wenn entweder die Einschalt- oder die Ausschaltflanke schärfer sein müssen.

Timing ist alles

Ok, jetzt können Sie vielleicht sehen, warum der Gate-Widerstand wichtig ist. Sie müssen jetzt jedoch die Auswirkungen dieses Gate-Widerstands verstehen und was passiert, wenn er zu groß ist.

Das sollte leicht ersichtlich sein$R_{GATE}$und$C_{GS}$bilden eine RC-Verzögerung, die bewirkt, dass die Spannung am Gate langsamer ansteigt als der Ausgang des Treibers. Aber was ist mit$C_{GD}$wie wirkt sich das aus.

Lassen Sie uns diese einfache Schaltung analysieren.

Hier habe ich einen typischen MOSFET gewählt, der etwa 2,5 Ohm Eingangswiderstand hat. Wenn der Drain wie oben gezeigt mit Masse kurzgeschlossen ist, können die folgenden Spuren an der steigenden Flanke der Pulse gezeichnet werden.

Wie Sie sehen können, haben wir die Strömung vorhergesagt$R_{Gate}$beginnt zunächst begrenzt durch die Widerstände bei 1A und klingt exponentiell auf Null ab. Dabei steigt die Spannung am Gate selbst exponentiell auf die angelegte Gate-Spannung von 10V an. Hier gibt es keine Überraschungen, abgesehen von der scharfen Kante am Anfang von Vg, die meiner Meinung nach ein Simulatorartefakt ist, wahrscheinlich aufgrund der Eingangsinduktivität des Modells.

Die abfallende Flanke des Impulses ist wenig überraschend ähnlich.

Ok, also legen wir eine kleine Spannung von 1 V mit einem 1-Ohm-Lastwiderstand an das Gate an.

Es gibt drei Dinge, die Sie bei den obigen Traces beachten sollten.

1. Beachten Sie den Einschlag$V_{D}$. Wenn die Spannung am Gate ansteigt, wird die Spitze von$C_{GD}$über die Schienenspannung nach oben geschoben wird. Da der MOSFET zu diesem Zeitpunkt noch ausgeschaltet ist,$C_{GD}$muss sich über den Lastwiderstand entladen, wie in der I(R_LOAD)-Spur gezeigt.

2. Der MOSFET schaltet etwa 653 ns nach der Impulsflanke nicht ein, wenn die Gate-Spannung Zeit hatte, sich ausreichend auf die Schwellenspannung aufzuladen. Offensichtlich machen$R_{GATE}$zu groß wird dies noch weiter verzögern.

3. Wenn Sie ein Adlerauge haben, bemerken Sie möglicherweise auch eine leichte Abweichung in I(R_GATE), wenn sich der MOSFET einschaltet.

Ok, jetzt zeige ich Ihnen eine realistischere Spannung mit 10 V und 10 Ohm an der Last.

Was Ihnen oben auffallen sollte, ist die deutliche Abflachung des Gate-Stroms und$V_{gs}$. Was verursacht das?

Wann$V_{GS}$die Einschaltschwelle erreicht, beginnt das Gerät zu leiten und bewirkt dies$C_{GD}$sich durch das Gerät selbst zu entladen. Dies "saugt" effektiv mehr Strom durch das Gate, was die Rate, mit der die Gate-Spannung ansteigen kann, erheblich reduziert. Während es langsam ansteigt, schaltet sich das Gerät ein wenig mehr ein und entlädt sich$C_{GD}$ein wenig schneller, und so weiter bis schließlich$C_{GD}$wird auf das gleiche Niveau wie entladen$C_{GS}$. Danach wird die Kombination wie gewohnt aufgeladen, und$V_{GS}$exponentiell wieder auf den Sollwert ansteigt.

An dieser Stelle sollte Ihnen etwas aufgefallen sein. Das ist...

Die Einschaltverzögerung ändert sich mit der Lastspannung!

Dies liegt natürlich daran, dass je höher die Spannung ist, die Sie schalten, desto mehr Energie wird gespeichert$C_{GD}$und desto mehr Ladung muss durch das Gate passieren, um es zu entladen.

Lassen Sie es auf das Maximum hochfahren, das dieses Gerät verarbeiten kann, 300 V, immer noch mit 1 A Last.

Beachten Sie, dass die flache Stelle jetzt SEHR lang ist. Das Gerät bleibt im linearen Modus und braucht viel länger, um sich vollständig einzuschalten. Tatsächlich musste ich die Zeitbasis in diesem Bild erweitern. Der Gate-Strom wird nun für etwa 6 uS aufrechterhalten.

Betrachtet man die Ausschaltzeit, ist es in diesem Beispiel noch schlimmer.

Beachten Sie die ähnlichen Abflachungen des Gate-Stroms und der Gate-Spannung wie$C_{GD}$Ladungen zurück, die durch die Einbeziehung des Lastwiderstands in den Ladungspfad verlängert werden.

Das bedeutet, wenn Sie eine Last mit Strom modulieren, hängt die Frequenz, mit der Sie sie ansteuern können, stark von der Spannung ab, die Sie schalten.

Was funktioniert bei 100 kHz bei 10 V ... mit einem durchschnittlichen Gate-Strom von etwa 400 mA ...

Hat keine Hoffnung bei 300V.

Bei diesen Frequenzen wird die Verlustleistung im MOSFET, Gate-Widerstand und Treiber wahrscheinlich ausreichen, um sie zu zerstören.

Fazit

Abgesehen von einfachen Niederfrequenzanwendungen erfordert die Feinabstimmung von MOSFETS für den Betrieb bei höheren Spannungen und Frequenzen eine beträchtliche Menge an sorgfältiger Entwicklung, um die erforderlichen Eigenschaften zu extrahieren. Je höher Sie gehen, desto leistungsfähiger muss der MOSFET-Treiber sein, damit Sie so wenig Gate-Widerstand wie möglich verwenden können.

Gut gemacht V_GS = I1 R_G = R_G C_GD * dv/dt