¿Cómo diseñar el valor de la resistencia de la puerta?

Question

Este es la hoja de datos del conductor IC en el que estoy trabajando (LM5112).

A continuación se muestra el diagrama de aplicación del módulo.

Básicamente este es el circuito controlador GATE para el MOSFET con la señal PDM como entrada. Estoy buscando cómo calcular el valor de la resistencia de entrada del MOSFET (R3) ?

Voltaje de entrada del MOSFET (VDS) = 10V La potencia de salida requerida es de 200W.

Preguntas:

1) ¿Cómo se calcula la resistencia de entrada MOSFET?

2) ¿Cuáles son los factores que afectan al cálculo de la resistencia de entrada MOSFET?

3) ¿Cuál será el valor máximo, mínimo posible de la resistencia y el efecto en el circuito si se cambia el valor de la resistencia (Aumento o disminución)?

Por favor, hágame saber si necesita más información.

Answer 1

Cómo entender la puerta de un MOSFET

Los MOSFETs son dispositivos extraordinarios que ofrecen muchas ventajas a la hora de manejar diversas cargas. El hecho de que sean accionados por tensión y que, cuando están encendidos, tengan resistencias muy bajas, los convierten en el dispositivo preferido para muchas aplicaciones.

Sin embargo, el funcionamiento real de la puerta es probablemente una de las características menos comprendidas por muchos aspirantes a diseñadores.

Veamos el típico circuito MOSFET.

NOTA: Aquí sólo voy a ilustrar los dispositivos de canal N, pero los de canal P funcionan por los mismos mecanismos.

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Así que sabemos que el dispositivo es impulsado por el voltaje, así que ¿por qué necesitamos \$R_{GATE}\$ . Para entender por qué \$R_{GATE}\$ es importante necesitamos aumentar este modelo para incluir las capacitancias del MOSFET.

simular este circuito

\$R_g\$ es la resistencia de las patas del dispositivo y del cable de unión a la propia puerta. Normalmente es un valor muy pequeño en los unos o en los dos. Los dos condensadores, uno de la puerta a la fuente \$C_{GS}\$ el otro de la puerta al drenaje \$C_{GD}\$ Sin embargo, son significativos.

Para complicar aún más las cosas, esas capacitancias no son constantes y cambian en función de las tensiones aplicadas. A continuación se muestra un ejemplo típico.

Puedes ver que cuando el dispositivo de conducción cambia la salida de baja a alta, la salida está básicamente conectada a tierra a través de \$C_{GS}\$ y a través de \$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 accionamiento tendrá una corriente de accionamiento máxima, es necesario elegir un valor mínimo de \$R_{GATE}\$ para garantizar que ese valor no se supere nunca. Sin embargo, singe \$R_g\$ es pequeño y no siempre es posible determinar las impedancias de la fuente y del sumidero del conductor, es común reducir la ecuación a simplemente..

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

NOTA: Es posible utilizar dos resistencias de puerta, con diodos asociados si los límites de la fuente y el sumidero son diferentes en el conductor, o una necesidad es para afinar los bordes de encendido o apagado.

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El momento lo es todo

Bien, ahora quizás puedas ver por qué la resistencia de puerta es importante. Sin embargo, ahora tienes que entender las implicaciones de tener esa resistencia de puerta y lo que sucede si es demasiado grande.

Debería ser fácilmente evidente que \$R_{GATE}\$ y \$ C_{GS}\$ forman un retardo RC que hará que la tensión en la puerta aumente más lentamente que la salida del conductor. Sin embargo, ¿qué pasa con \$C_{GD}\$ cómo influye eso.

Analicemos este sencillo circuito.

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

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

El flanco descendente del pulso es, como es lógico, similar.

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

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

1. Obsérvese el aumento de \$V_{D}\$ . A medida que el voltaje aumenta en la puerta, la parte superior de \$C_{GD}\$ se eleva por encima de la tensión del carril. Dado que el MOSFET sigue apagado en este momento, \$C_{GD}\$ debe descargarse a través de la resistencia de carga como se muestra en el trazado I(R_LOAD).

2. El MOSFET no se enciende hasta unos 653nS después del flanco del impulso, cuando la tensión de puerta ha tenido tiempo de cargarse lo suficiente hasta la tensión de umbral. Obviamente haciendo \$R_{GATE}\$ demasiado grande lo retrasará aún más.

3. Si tienes un ojo de lince, también puedes notar una ligera desviación en I(R_GATE) cuando el MOSFET se enciende.

Ok ahora déjame mostrarte un voltaje más realista con 10V y 10 Ohms en la carga.

Lo que debería llamar la atención en lo anterior es el claro punto plano en la corriente de puerta y \$V_{gs}\$ . ¿Cuál es la causa?

Cuando \$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 el voltaje de la puerta puede aumentar. A medida que aumenta 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 de forma normal, y \$V_{GS}\$ aumenta exponencialmente hasta alcanzar de nuevo el valor objetivo.

Llegados a este punto, algo debería haberse hecho evidente para ti. Es decir...

El retardo de encendido cambia con la tensión de carga.

Esto se debe, por supuesto, a que cuanto más alto sea el voltaje que se conmuta, más energía se almacena en \$C_{GD}\$ y más carga tiene que pasar por la compuerta para descargarla.

Vamos a subirlo al máximo que puede soportar este dispositivo, 300V, aún con una carga de 1A.

Observe que el punto plano es ahora MUY largo. El aparato permanece en modo lineal y tarda mucho más en encenderse del todo. De hecho tuve que ampliar la base de tiempo en esta imagen. La corriente de puerta se mantiene ahora durante unos 6uS.

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

Obsérvese que los puntos planos de la corriente y la tensión de puerta son similares a los de \$C_{GD}\$ cargas de vuelta que se hacen más largas debido a la inclusión de la resistencia de carga en el camino de carga.

Esto significa que si está modulando la potencia a una carga, la frecuencia a la que puede conducirla depende en gran medida de la tensión que esté conmutando.

Lo que más o menos funciona a 100Khz a 10V... con una corriente de puerta media de unos 400mA...

No tiene una esperanza a 300V.

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

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Conclusión:

Aparte de los usos sencillos a baja frecuencia, el ajuste fino de los MOSFETS para que funcionen a voltajes y frecuencias más elevados requiere una cantidad considerable de desarrollo cuidadoso para extraer las características que pueda necesitar. Cuanto más alto sea el voltaje, más potente deberá ser el controlador del MOSFET para poder utilizar la menor resistencia de puerta posible.

Answer 2

Si has elegido este driver, que tiene una corriente de salida enorme (7A), supongo que necesitas esta corriente de accionamiento de la puerta para conmutar un FET muy grande y muy rápido.

La resistencia de puerta sólo ralentizará las cosas reduciendo la corriente de accionamiento de la puerta, por lo que su valor óptimo es de cero ohmios. Su valor máximo depende de las pérdidas de conmutación aceptables (una conmutación más lenta provoca más pérdidas de conmutación).

Sin embargo, la resistencia de la puerta puede seguir teniendo usos:

• Ralentiza la conmutación para reducir la EMI. Pero en este caso también puede utilizar un controlador más débil (más barato).
• Reducir el pico de corriente extraído de la alimentación durante el encendido del MOSFET. Si el desacoplamiento local no es lo suficientemente bueno, esta corriente podría hacer que VCC se hunda, disparando el UVLO del chip. Afortunadamente, la disposición de los pines del chip hace que sea fácil conseguir un desacoplamiento de baja inductancia.
• En caso de que el trazado sea subóptimo con un trazado de puerta largo. Esto añade una inductancia en la puerta que puede hacer que el MOSFET osile. Una resistencia amortiguará las oscilaciones, a costa de una conmutación más lenta. Esto es un poco de un band-aid, un diseño apretado es preferible.

Aconsejaría poner una huella de resistencia por si acaso, y empezar con un puente 0R.

Answer 3

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