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

Mientras pensaba en formas de proteger un MOSFET, una idea era poner una resistencia extremadamente alta frente a 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 eso actual, posiblemente evitando que el FET se queme.

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

Si esta idea es correcta, entonces la pregunta es: ¿por qué no siempre colocar una resistencia de megaohm antes de la puerta de cualquier FET?

¿O hay una razón práctica por la cual una resistencia de compuerta normalmente no protegería el FET? ¿O podría incluso tener algún efecto adverso en el rendimiento?

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 puerta se cargue por encima de cierto nivel (el voltaje de umbral), por lo que tendrá una conmutación muy lenta.

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

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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 maneja un motor a una frecuencia de 20kHZ y superior, el cambio debe ser rápido para minimizar las pérdidas de calor (cambiar más rápido significa menos pérdida de energía). Tenga en cuenta que la resistencia que ve en la puerta no está destinada a proteger solo el MOSFET ... también protege lo que sea que esté impulsando el MOSFET (por ejemplo: un microcontrolador). La corriente excesiva puede precipitarse 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 capacitor se cargue completamente se denomina carga de puerta (puede encontrarla en la hoja de datos). Una vez cargada, la resistencia del MOSFET (RDS) disminuye a su mínimo. Por lo tanto, puede comprender que intentar conducir este pin sin una resistencia en serie significa que el controlador hundirá / obtendrá una alta corriente (lo mismo que la corriente de entrada cuando se carga un condensador).

$\Omega$ 3400 ohmios según el cambio en los tiempos de conmutación con la resistencia de puerta externa.

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

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

Entonces, ¿por qué poner alguna resistencia allí, preguntas? Bueno, es para que los otros zeners (sobrevoltaje) puedan hacer lo suyo. Imagina el peor de los casos y acortamos el cable de la puerta a la fuente, y luego aumentamos sádicamente el voltaje en el drenaje (a través de una carga externa) esperando el colapso del DS. Cuando la corriente a través de los diodos zener excede algunos mA, el MOSFET se enciende y sujeta la sobretensión.

Los MOSFET de potencia generalmente no son muy sensibles a ESD de todos modos, debido a la gran capacidad de la compuerta. La puerta en realidad se descompone en algo así como 50V-100V, por lo que mucha energía tiene que llegar a la puerta. Los MOSFET pequeños, 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 puerta MOSFET de potencia moderadamente grande.

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

Sin embargo, para ser claros, eso no es absolutamente para lo que se incluye la resistencia que se muestra, como otros han señalado, eso está ahí para mantener a los Zeners de sujeción en la región 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 en serie de compuerta si también se usa un diodo zener para limitar el voltaje de la fuente de compuerta a menos de la clasificación Vgs del MOSFET. La clasificación típica es de 20V, y se usaría un zener de 10V o 15V. La división de carga de la puerta funciona de la siguiente manera. Suponiendo que el voltaje de la compuerta y el voltaje a través del capacitor son inicialmente 0 y luego en el encendido ... V_c = Qg / C_drive Vgs = V_drive - V_c_drive V_drive es el voltaje de accionamiento de la compuerta. Qg es la carga total de la puerta que figura en la hoja de datos de FET para el Vgs = V_drive dado C_drive es el capacitor en paralelo con la resistencia de accionamiento. Vgs es el voltaje de fuente de la puerta FET. V_c_drive es el voltaje en C_drive después del interruptor.

Para encendido / apagado rápido, se puede colocar un pequeño condensador en paralelo con la resistencia. Suponiendo que el condensador se descargue inicialmente. Cuando enciende el FET, la corriente 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 instantáneamente. Su velocidad de encendido será casi idéntica a lo que sucedería si el capacitor estuviera corto durante el borde de la forma de onda del controlador de compuerta. El mismo efecto funciona en el desvío.












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

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

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

El efecto de la resistencia de compuerta paralela es tender siempre a hacer que el voltaje a través del capacitor sea de 0V. Entonces, después del interruptor, 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 sentido contrario, por lo que el voltaje final del condensador sería de -0.1 V cuando se mide con la misma orientación utilizada al encender.

Tenga en cuenta que no necesita esperar a que se descargue el capacitor antes de apagar el FET. Si tuviera que encender y apagar el FET de inmediato, la división de carga al apagarlo 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 de compuerta total del FET al voltaje de accionamiento deseado produzca solo un voltaje de condensador pequeño, pero lo suficientemente pequeño como para que no deje pasar mucha energía transitoria. Por lo general, debe tener C_drive> Qg / 1V.

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

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

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