¿Por qué (no) poner una resistencia en la puerta del FET?

Question

Al pensar en formas de proteger un MOSFET una idea era poner una resistencia extremadamente alta delante de la puerta: La idea es que la corriente nunca debe fluir a través de la puerta, por lo que si algún transitorio amenazara la puerta, la resistencia limitaría esa corriente, posiblemente evitando que el FET se queme.

De hecho, mientras investigaba sobre la protección de los MOSFET, me encontré con este producto integralmente protegido que incluye en sus características la "resistencia de puerta en serie interna", como se muestra en su diagrama:

Si esta idea es correcta, entonces la pregunta es: ¿Por qué no? siempre ¿poner una resistencia de megaohmios antes de la puerta de cualquier FET?

¿O hay alguna razón práctica para que una resistencia de puerta no proteger típicamente el FET? ¿O podría tener algún efecto adverso en el rendimiento?

Answer 1

La fuente de la puerta es esencialmente un condensador. Así que con esta resistencia tan alta, tardaría mucho tiempo en cargarse. El MOSFET sólo se encenderá cuando el condensador de la puerta se cargue por encima de cierto nivel (la tensión de umbral), por lo que tendrá una conmutación muy lenta.

La razón por la que se utilizan a menudo los controladores de puerta es porque son capaces de cargar rápidamente el condensador de puerta (a menudo utilizando una corriente superior a 1A), por lo que los tiempos de conmutación se pueden minimizar.

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Answer 2

Las resistencias grandes en la puerta ralentizan la conmutación del MOSFET. Esto está bien cuando se utiliza el MOSFET como un interruptor (ON-OFF), pero cuando usted está impulsando un motor a una frecuencia de 20kHZ y más, la conmutación debe ser rápida para minimizar las pérdidas de calor (conmutación más rápida significa menos energía perdida). Ten en cuenta que la resistencia que ves en la puerta no está pensada sólo para proteger el MOSFET... también protege lo que sea que esté manejando el MOSFET (por ejemplo: un microcontrolador). Una corriente excesiva puede correr y dañar el pin de E/S.

Como dijo Darko, el MOSFET es un condensador cuando lo miras desde el lado de la puerta. La carga necesaria para que este condensador se cargue completamente se llama carga de puerta (puedes encontrarla en la hoja de datos). Una vez cargado, la resistencia del MOSFET (RDS) disminuye hasta su mínimo. Por lo tanto, puedes entender que tratar de conducir este pin sin una resistencia en serie significa que una alta corriente será hundida/suministrada por el conductor (igual que la corriente de irrupción cuando se carga un condensador).

Answer 3

Edición: Reinterpretando el valor mostrado en la hoja de datos. La resistencia mostrada no es M \$\Omega\$ mucho más bajo, más bien 3400 ohmios basado en el cambio de los tiempos de conmutación con resistencia de puerta externa.

De hecho, esto ralentiza mucho la conmutación cuando la carga de la puerta es alta, como el tiempo mínimo de conmutación de apagado de 1,6 ms con una carga de 15 V y 1,5 A. El tiempo de conmutación asimétrico implica que pueden tener un diodo a través de la resistencia para acelerar el tiempo de "encendido". El diodo estará en polarización inversa cuando se apriete, como se explica a continuación.

De todos modos, una resistencia de gran valor no protegerá la puerta, ya que se produce una avería permanente y un daño en el aislamiento, no como la avería de un diodo. Por eso los diodos zener ESD están en el cable de la puerta, para evitar una tensión excesiva entre la puerta y la fuente.

Entonces, ¿por qué poner una resistencia? Bueno, es para que los otros zeners (de sobretensión) puedan hacer lo suyo. Imagina el peor caso y cortocircuitamos el cable de la puerta a la fuente, y luego aumentamos sádicamente el voltaje en el drenaje (a través de alguna carga externa) esperando la ruptura D-S. Cuando la corriente a través de los diodos zener supera algunos mA el MOSFET se enciende y sujeta la sobretensión.

De todos modos, los MOSFET de potencia no son muy sensibles a la ESD debido a la gran capacitancia de la puerta. En realidad, la puerta se rompe a unos 50V-100V normalmente, por lo que tiene que llegar mucha energía a la puerta. Los MOSFETs diminutos, como los MOSFETs de RF, son muy sensibles a la ESD en comparación. Sin embargo, el típico modelo de cuerpo humano de ESD es suficiente para dañar incluso una puerta de MOSFET de potencia moderadamente grande.

Answer 4

Hay otra razón para poner una resistencia en serie delante de la puerta de un MOSFET: para deliberadamente ralentizar la conmutación. Esto ayuda a minimizar las velocidades de giro en el circuito y, por lo tanto, puede reducir las emisiones conducidas y radiadas, lo que puede ser una técnica de EMC útil.

Sin embargo, para que quede claro que es absolutamente no para qué se incluye la resistencia mostrada - como otros han señalado, está ahí para mantener los Zeners de sujeción en la región de funcionamiento seguro. Además, hay que tener en cuenta que la ralentización de los bordes de conmutación tiene efectos negativos (el aumento de las pérdidas térmicas en los bordes de conmutación es uno de ellos) en el rendimiento del circuito - como tal, cualquier uso de esta técnica es un compromiso.

Answer 5

Se puede utilizar una resistencia de puerta en serie si también se utiliza un diodo zener para limitar la tensión de la fuente de la puerta a menos de la clasificación Vgs del MOSFET. El valor nominal típico es de 20V, y se utilizaría un zener de 10V o 15V.

Para un encendido/apagado rápido, se puede colocar un pequeño condensador en paralelo con la resistencia. Suponiendo que el condensador esté inicialmente descargado. Cuando encienda el FET la corriente fluirá a través del condensador y habrá una división de carga casi instantánea entre el condensador y la capacitancia de entrada del FET. El FET se encenderá instantáneamente. Su velocidad de encendido será casi idéntica a la que ocurriría si el condensador fuera un cortocircuito durante el borde de la forma de onda de accionamiento de la puerta. El mismo efecto funciona en el apagado.

La división de la carga de la puerta funciona de la siguiente manera. Asumiendo que el voltaje de la puerta y el voltaje a través del condensador son inicialmente 0, entonces al encender...

V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive es la tensión de accionamiento de la puerta.
Qg es la carga total de la puerta indicada en la hoja de datos del FET para el Vgs = V_drive dado
C_drive es el condensador en paralelo con la resistencia de accionamiento.
Vgs es la tensión de la fuente de la puerta del FET.
V_c_drive es la tensión a través de C_drive después de la conmutación.

Por ejemplo, si conduces el FET a través de un condensador de 10nF con una señal de accionamiento de 10V, y la carga total de la puerta era de 1nC a Vgs=10V, entonces el condensador se cargaría a...

V_c_drive = 1nC/10nF = 0,1V
Vgs = 10V - 0,1V = 9,9V

Tenga en cuenta que esto es, por supuesto, una aproximación, ya que Vgs no es 10V, por lo que Qg es en realidad un poco menos de lo que se supone.

El efecto de la resistencia de puerta en paralelo es que siempre tiende a hacer que la tensión a través del condensador sea de 0V. Así que después de la conmutación el voltaje del condensador caerá lentamente de 0,1V a 0V a la velocidad de la constante de tiempo R*C. En un ciclo de apagado la carga se dividiría en el otro sentido por lo que la tensión final del condensador sería de -0,1V cuando se mide con la misma orientación utilizada en el encendido.

Tenga en cuenta que no es necesario esperar a que el condensador se descargue antes de apagar el FET. Si usted fuera a cambiar el FET de encendido y luego a apagado de inmediato la división de la carga en el apagado cancelaría exactamente lo que sucedió durante el encendido y el voltaje del condensador sería casi 0 al final del ciclo.

El valor del condensador debe ser lo suficientemente grande como para que la carga total de la puerta del FET a la tensión de accionamiento deseada produzca sólo una pequeña tensión de condensador, pero lo suficientemente pequeña como para que no deje pasar mucha energía transitoria. Normalmente debería tener C_drive > Qg/1V.

La cantidad de resistencia que se puede utilizar depende de la corriente de fuga de la puerta en el peor de los casos en la hoja de datos del MOSFET, así como de la fuga de su zener. Lo importante es que la fuga total multiplicada por la resistencia en serie debe ser mucho menor que la tensión de umbral del MOSFET en función de la temperatura.

Por ejemplo, si el voltaje de umbral de tu FET es de 3V, entonces R * leakage_current debe ser mucho menor que 3V. El objetivo es evitar que las fugas abrumen a la resistencia y creen un sesgo de CC que mantenga al FET encendido o apagado en el momento equivocado.

La mayoría de los FETs indican una fuga de puerta de menos de 1uA como máximo en su hoja de datos. La mayoría de los zeners tienen una fuga de varios uA y la fuga aumenta exponencialmente con la temperatura. Así que el zener representa la mayor parte de la fuga de la puerta. Así que 100K o 10K es probablemente más apropiado que 1MEG en mi opinión.