Mengapa (tidak) meletakkan resistor di gerbang FET?

Sambil memikirkan cara - cara untuk melindungi MOSFET, satu ide adalah menempatkan resistensi yang sangat tinggi di depan gerbang: Gagasannya adalah bahwa arus tidak pernah seharusnya mengalir melalui gerbang, jadi jika beberapa transien mengancam gerbang, perlawanan akan membatasi itu. saat ini, mungkin mencegah FET terbakar.

Bahkan, ketika meneliti perlindungan MOSFET saya menemukan produk yang dilindungi secara integral ini yang termasuk dalam fitur-fiturnya "internal seri gate resistance," seperti yang ditunjukkan pada diagramnya:

Jika ide ini benar, maka pertanyaannya adalah: Mengapa tidak selalu meletakkan resistor megaohm di depan gerbang FET?

Atau adakah alasan praktis bahwa gerbang resistor biasanya tidak melindungi FET? Atau mungkinkah itu memiliki efek kinerja yang merugikan?

Sumber gerbang pada dasarnya adalah sebuah kapasitor. Jadi dengan resistor tinggi ini, akan membutuhkan waktu yang sangat lama untuk diisi ulang. MOSFET hanya akan menyala ketika kapasitor gerbang diisi di atas tingkat tertentu (tegangan ambang), sehingga Anda akan memiliki pergantian yang sangat lambat.

Alasan driver gerbang sering digunakan adalah karena mereka dapat dengan cepat mengisi kapasitor gerbang (sering menggunakan arus di atas 1A) sehingga waktu switching dapat diminimalkan.

Anda dapat membaca lebih lanjut di sini .

Resistor besar di gerbang memperlambat perpindahan MOSFET. Ini OK ketika Anda menggunakan MOSFET sebagai saklar (ON-OFF) tetapi ketika Anda mengendarai motor pada frekuensi 20kHZ ke atas, beralih harus cepat untuk meminimalkan kehilangan panas (beralih lebih cepat berarti lebih sedikit daya yang hilang). Perhatikan bahwa resistor yang Anda lihat di gerbang tidak dimaksudkan hanya untuk melindungi MOSFET ... tetapi juga melindungi apa pun yang menggerakkan MOSFET (misalnya: mikrokontroler). Arus berlebih dapat tergesa-gesa dan merusak pin I / O.

Seperti dikatakan Darko, MOSFET adalah kapasitor ketika Anda melihatnya dari sisi gerbang. Biaya yang diperlukan untuk kapasitor ini untuk mengisi penuh disebut biaya gerbang (Anda dapat menemukannya di datasheet). Setelah diisi, resistansi MOSFET (RDS) berkurang hingga minimum. Jadi, Anda dapat memahami bahwa mencoba menggerakkan pin ini tanpa hambatan seri berarti arus tinggi akan tenggelam / bersumber dari pengemudi (sama seperti arus masuk saat mengisi kapasitor).

Sunting: Menafsirkan kembali nilai yang ditampilkan pada lembar data. Resistansi yang ditunjukkan bukan M$\Omega$, jauh lebih rendah, lebih seperti 3400 ohm berdasarkan pada perubahan waktu switching dengan resistor gerbang eksternal.

Ini sebenarnya sangat memperlambat switching ketika muatan gerbang tinggi, seperti waktu switching off minimum 1.6ms dengan beban 15V 1.5A. Waktu switching asimetris menyiratkan mereka mungkin benar-benar memiliki dioda melintasi resistor untuk mempercepat waktu 'on'. Dioda akan menjadi bias terbalik saat dijepit, seperti yang dijelaskan di bawah ini.

Suatu resistor nilai besar kemungkinan tidak akan melindungi gerbang, itu adalah kerusakan permanen dan kerusakan isolasi yang terjadi, tidak seperti kerusakan dioda. Itu sebabnya dioda zener ESD ada di gerbang, untuk mencegah tegangan sumber gerbang yang berlebihan.

Jadi, mengapa menaruh resistor sama sekali di sana Anda bertanya? Nah itu agar zener lain (Overvoltage) dapat melakukan hal mereka. Bayangkan kasus terburuk dan kita pendekkan gerbang menuju sumber, dan kemudian secara sadis meningkatkan tegangan pada saluran (melalui beberapa beban eksternal) menunggu kerusakan DS. Ketika arus melalui dioda zener melebihi beberapa mA MOSFET menyala dan menjepit tegangan berlebih.

Power MOSFET umumnya tidak terlalu sensitif terhadap ESD, karena kapasitansi gerbang yang besar. Gerbang sebenarnya rusak pada sesuatu seperti 50V-100V biasanya sehingga banyak energi harus mencapai gerbang. MOSFET kecil seperti RF MOSFET sangat sensitif terhadap ESD dibandingkan. Namun, model tubuh manusia khas ESD sudah cukup untuk merusak bahkan gerbang MOSFET daya yang cukup besar.

Ada alasan lain untuk meletakkan resistor seri di depan gerbang MOSFET - untuk memperlambat perpindahan secara sengaja . Ini membantu meminimalkan laju perubahan tegangan di sirkuit dan karenanya dapat mengurangi emisi yang dilakukan dan diradiasikan, yang dapat menjadi teknik EMC yang berguna.

Namun, harus jelas bahwa sama sekali bukan apa yang diperlihatkan oleh resistor - seperti yang telah dicatat orang lain, yang ada untuk menjaga penjepit Zener di wilayah operasi yang aman. Juga, perhatikan bahwa memperlambat pergantian tepi memiliki efek negatif (peningkatan kerugian termal pada peralihan tepi menjadi satu) pada kinerja sirkuit - karena itu setiap penggunaan teknik ini adalah kompromi.

Sebuah resistor seri gerbang dapat digunakan jika dioda zener juga digunakan untuk membatasi tegangan sumber gerbang hingga kurang dari nilai Vgs dari MOSFET. Peringkat tipikal adalah 20V, dan zener 10V atau 15V akan digunakan.

Untuk menghidupkan / mematikan yang cepat, kapasitor kecil dapat ditempatkan secara paralel dengan resistor. Dengan asumsi kapasitor pada awalnya kosong. Ketika Anda menghidupkan arus FET akan mengalir melalui kapasitor dan akan ada pembagian biaya hampir seketika antara kapasitor dan kapasitansi input FET. FET akan menyala secara instan. Kecepatan putar Anda akan hampir identik dengan apa yang akan terjadi jika kapasitor pendek selama tepi bentuk gelombang drive gerbang. Efek yang sama berfungsi saat belokan.

Divisi charge gate berfungsi sebagai berikut. Dengan asumsi voltase gerbang dan voltase melintasi kapasitor awalnya 0 kemudian

dihidupkan ... V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive adalah voltase drive gate.
Qg adalah biaya gerbang total yang tercantum dalam lembar data FET untuk Vgs = V_drive
C_drive yang diberikan adalah kapasitor secara paralel dengan resistor drive.
Vgs adalah sumber tegangan gerbang FET.
V_c_drive adalah tegangan melintasi C_drive setelah sakelar.

Misalnya jika Anda menggerakkan FET melalui kapasitor 10nF dengan sinyal drive 10V, dan total biaya gerbang adalah 1nC pada Vgs = 10V maka kapasitor akan mengisi daya ke ...

V_c_drive = 1nC / 10nF = 0.1V
Vgs = 10V - 0.1 V = 9.9V

Perhatikan ini tentu saja perkiraan karena Vgs bukan 10V sehingga Qg sebenarnya sedikit kurang dari yang diasumsikan.

Efek dari resistor gerbang paralel adalah untuk selalu cenderung membuat tegangan melintasi kapasitor 0V. Jadi setelah beralih tegangan kapasitor perlahan-lahan akan turun dari 0,1V ke 0V pada tingkat konstanta waktu R * C. Dalam siklus mematikan muatan akan membagi dengan cara lain sehingga tegangan kapasitor akhir akan -0.1V bila diukur dengan orientasi yang sama yang digunakan saat menghidupkan.

Perhatikan bahwa Anda tidak perlu menunggu kapasitor keluar sebelum mematikan FET. Jika Anda mengaktifkan FET dari hidup dan kemudian mematikan segera divisi muatan dalam mematikan akan benar-benar membatalkan apa yang terjadi selama menghidupkan dan tegangan kapasitor akan hampir 0 pada akhir siklus.

Nilai kapasitor harus cukup besar sehingga muatan gerbang total FET pada tegangan drive yang diinginkan hanya menghasilkan tegangan kapasitor kecil, tetapi cukup kecil sehingga tidak akan membiarkan banyak energi transien melewatinya. Biasanya Anda harus memiliki C_drive> Qg / 1V.

Jumlah resistansi yang dapat Anda gunakan tergantung pada arus kebocoran case terburuk di lembar data MOSFET serta kebocoran zener Anda. Poin penting adalah bahwa total kebocoran kali resistansi seri harus jauh lebih kecil daripada tegangan ambang MOSFET di atas suhu.

Misalnya jika tegangan ambang FET Anda adalah 3V maka R * leakage_current harus jauh lebih kecil dari 3V. Intinya adalah untuk mencegah kebocoran dari membanjiri resistor dan menciptakan bias DC yang membuat FET hidup atau mati pada waktu yang salah.

Sebagian besar FET daftar kebocoran gerbang di bawah 1uA maks dalam datasheet mereka. Sebagian besar zener bocor beberapa uA dan kebocoran meningkat secara eksponensial dengan suhu. Jadi zener menyumbang sebagian besar kebocoran gerbang. Jadi 100K atau 10K mungkin lebih sesuai daripada 1MEG menurut saya.