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

La fuente de la puerta es esencialmente un condensador. Entonces, con esta alta resistencia, tomaría mucho tiempo cargarla. El MOSFET solo se encenderá cuando el capacitor de la compuerta se cargue por encima de algún nivel (el voltaje de umbral), por lo que tendrá una conmutación muy lenta.

La razón por la que los controladores de compuerta se usan a menudo es porque pueden cargar rápidamente el capacitor de la compuerta (a menudo con una corriente superior a 1A) para que se puedan minimizar los tiempos de conmutación.

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Las grandes resistencias en la puerta ralentizan la conmutación del MOSFET. Esto está bien cuando usa el MOSFET como interruptor (ON-OFF) pero cuando conduce un motor a una frecuencia de 20kHZ y superior, la conmutación debe ser rápida para minimizar las pérdidas de calor (cambiar más rápido significa menos pérdida de potencia). Tenga en cuenta que la resistencia que ve en la compuerta no está diseñada solo para proteger el MOSFET ... sino que también protege lo que esté impulsando el MOSFET (por ejemplo, un microcontrolador). La corriente excesiva puede acelerar 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 la puerta (puede encontrarla en la hoja de datos). Una vez cargado, la resistencia del MOSFET (RDS) disminuye a su mínimo. De modo que puede comprender que tratar de accionar este pin sin una resistencia en serie significa que el conductor hundirá / obtendrá una alta corriente (igual que la corriente de entrada al cargar un capacitor).

Editar: reinterpretar el valor que se muestra en la hoja de datos. La resistencia mostrada no es M \ $ \ Omega \ $, mucho más baja, más como 3400 ohmios en función del cambio en los tiempos de conmutación con resistencia de compuerta externa.

De hecho, esto realmente ralentiza la conmutación cuando la carga de la compuerta es alta, como el tiempo mínimo de desconexión de 1.6 ms con una carga de 15 V y 1.5A. El tiempo de conmutación asimétrico implica que en realidad pueden tener un diodo a través de la resistencia para acelerar el tiempo de "encendido". El diodo tendrá polarización inversa al sujetar, como se explica a continuación.

Es probable que una resistencia de gran valor no proteja la compuerta de todos modos, es una falla permanente y daños en el aislamiento que ocurren, no como una falla de diodo. Es por eso que los diodos zener ESD están en el cable de la compuerta, para evitar el voltaje excesivo de la fuente de la compuerta.

Entonces, ¿por qué poner alguna resistencia en absoluto allí le preguntas? Bueno, es así que los otros zeners (sobrevoltaje) pueden hacer lo suyo. Imagine el peor de los casos y cortamos el cable de la compuerta a la fuente, y luego aumentamos sádicamente el voltaje en el drenaje (a través de alguna carga externa) esperando la ruptura del D-S. Cuando la corriente a través de los diodos zener excede algunos mA, el MOSFET se enciende y sujeta la sobretensión.

Los MOSFET de alimentación generalmente no son muy sensibles a la ESD de todos modos, debido a la gran capacidad de la compuerta. La compuerta en realidad se descompone en algo así como 50V-100V típicamente, por lo que mucha energía tiene que alcanzar la compuerta. Los MOSFET diminutos, como los MOSFET de RF, son muy sensibles a la ESD en comparación. Sin embargo, el modelo típico del cuerpo humano de ESD es suficiente para dañar incluso una compuerta MOSFET de potencia moderadamente grande.

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

Sin embargo, para dejar en claro que no se incluye absolutamente para qué se incluye la resistencia mostrada, como han dicho otros, eso es para mantener a los Zeners en la zona de operación segura. Además, tenga en cuenta que la desaceleración de los bordes de conmutación tiene efectos negativos (el aumento de las pérdidas térmicas en los bordes de conmutación es uno) en el rendimiento del circuito, por lo que cualquier uso de esta técnica es un compromiso.

Se puede usar una resistencia de la serie de compuerta si también se usa un diodo Zener para limitar el voltaje de la fuente de la compuerta a menos de la clasificación de Vgs del MOSFET. La calificación típica es de 20 V, y se utilizaría un Zener de 10 V o 15 V.

Para un encendido / apagado rápido, se puede colocar un pequeño capacitor en paralelo con la resistencia. Suponiendo que el condensador se descarga inicialmente. Cuando encienda la corriente del FET fluirá a través del capacitor y habrá una división de carga casi instantánea entre el capacitor y la capacitancia de entrada del FET. El FET se encenderá al instante. Su velocidad de encendido será casi idéntica a lo que sucedería si el condensador estuviera corto durante el borde de la forma de onda del controlador de puerta. El mismo efecto funciona en el apagado.

La división de carga de la puerta funciona de la siguiente manera. Suponiendo que la tensión de la compuerta y la tensión a través del capacitor son inicialmente 0 luego en el encendido ...

V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive es el voltaje de la unidad de compuerta.
Qg es el cargo total de la puerta que figura 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 el voltaje de la fuente de la puerta FET.
V_c_drive es el voltaje a través de C_drive después del interruptor.

Por ejemplo, si conduce el FET a través de un condensador de 10 nF con una señal de impulsión de 10 V, y la carga total de la compuerta fue de 1 nC a Vgs = 10 V, 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 de 10 V, por lo que Qg es en realidad un poco menor de lo que se supone.

El efecto de la resistencia de compuerta paralela es tender siempre a hacer que el voltaje a través del capacitor 0V. Entonces, después del interruptor, el voltaje del capacitor caerá lentamente de 0.1V a 0V a la tasa de la constante de tiempo R * C. En un ciclo de apagado, la carga se dividiría de otra manera, por lo que la tensión del capacitor final sería de -0.1 V cuando se mide con la misma orientación que se usa en el encendido.

Tenga en cuenta que no necesita esperar a que se descargue el condensador antes de apagar el FET. Si tuviera que activar el FET de encendido y luego apagarlo de inmediato, la división de carga al apagar cancelaría exactamente lo que sucedió durante el encendido y la tensión del capacitor sería casi 0 al final del ciclo.

El valor del capacitor debe ser lo suficientemente grande como para que la carga total de la compuerta del FET a la tensión de activación deseada produzca solo una pequeña tensión del capacitor, pero lo suficientemente pequeña como para que no pase mucha energía transitoria. Normalmente deberías tener C_drive > Qg / 1V.

La cantidad de resistencia que puede utilizar depende de la corriente de fuga de compuerta en el peor de los casos en la hoja de datos del MOSFET, así como de la fuga de Zener. El punto importante es que el tiempo total de fuga de la resistencia en serie debe ser mucho menor que el umbral de voltaje MOSFET sobre la temperatura.

Por ejemplo, si su voltaje de umbral FET es 3V, R * leakage_current debe ser mucho menor que 3V. El objetivo es evitar que las fugas abrumen el resistor y creen una polarización de CC que mantiene el FET encendido o apagado en el momento incorrecto.

La mayoría de los FET enumeran una fuga de puerta de menos de 1uA max en su hoja de datos. La mayoría de los zeners pierden varios uA y la fuga aumenta exponencialmente con la temperatura. Así que el zener representa la mayor parte de la fuga de la puerta. Entonces, en mi opinión, 100K o 10K es probablemente más apropiado que 1MEG.