Warum (nicht) einen Widerstand auf das FET-Gate legen?

Bei der Überlegung, wie ein MOSFET geschützt werden kann, ging es darum, dem Gate einen extrem hohen Widerstand entgegenzusetzen: Die Idee ist, dass niemals Strom durch das Gate fließen soll. Wenn also eine Transiente das Gate bedroht, würde der Widerstand dies begrenzen Strom, möglicherweise verhindern, dass der FET ausbrennt.

Tatsächlich bin ich bei der Untersuchung des MOSFET-Schutzes auf dieses vollständig geschützte Produkt gestoßen , das in seinen Merkmalen "internen Serien-Gate-Widerstand" aufweist, wie in seinem Diagramm gezeigt:

Wenn diese Idee richtig ist, lautet die Frage: Warum nicht immer einen Megaohm-Widerstand vor das Gate eines FETs stellen?

Oder gibt es einen praktischen Grund dafür, dass ein Gatewiderstand den FET normalerweise nicht schützt? Oder könnte es sogar negative Auswirkungen auf die Leistung haben?

Die Gate-Source ist im Wesentlichen ein Kondensator. Bei diesem hohen Widerstand würde das Laden sehr lange dauern. Der MOSFET schaltet sich nur ein, wenn der Gate-Kondensator über einem bestimmten Pegel (der Schwellenspannung) aufgeladen ist, sodass Sie sehr langsam schalten.

Der Grund, warum Gate-Treiber häufig verwendet werden, liegt darin, dass sie den Gate-Kondensator schnell aufladen können (häufig unter Verwendung von Strom über 1A), sodass die Schaltzeiten minimiert werden können.

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Große Widerstände am Gate verlangsamen das Schalten des MOSFET. Dies ist in Ordnung, wenn Sie den MOSFET als Schalter verwenden (EIN-AUS). Wenn Sie jedoch einen Motor mit einer Frequenz von 20 kHz und höher betreiben, sollte das Schalten schnell erfolgen, um die Wärmeverluste zu minimieren (schnelleres Schalten bedeutet weniger Leistungsverlust). Beachten Sie, dass der Widerstand, den Sie am Gate sehen, nicht nur den MOSFET schützen soll. Er schützt auch alles, was den MOSFET ansteuert (zum Beispiel: einen Mikrocontroller). Übermäßiger Strom kann schnell fließen und den E / A-Pin beschädigen.

Wie Darko sagte, ist der MOSFET ein Kondensator, wenn man ihn von der Gate-Seite betrachtet. Die Ladung, die dieser Kondensator benötigt, um sich vollständig aufzuladen, wird als Gateladung bezeichnet (sie finden sie im Datenblatt). Sobald der MOSFET aufgeladen ist, sinkt der Widerstand (RDS) auf das Minimum. Sie können also verstehen, dass der Versuch, diesen Pin ohne Vorwiderstand anzusteuern, dazu führt, dass der Treiber einen hohen Strom aufnimmt / abgibt (genau wie der Einschaltstrom beim Laden eines Kondensators).

$\Omega$ 3400 Ohm, basierend auf der Änderung der Schaltzeiten mit externem Gatewiderstand.

Dies verlangsamt in der Tat das Schalten, wenn die Gateladung hoch ist, wie beispielsweise die minimale Ausschaltzeit von 1,6 ms bei einer Last von 15 V, 1,5 A. Die asymmetrische Schaltzeit impliziert, dass sie tatsächlich eine Diode über dem Widerstand haben können, um die Einschaltzeit zu beschleunigen. Die Diode wird beim Klemmen in Sperrrichtung vorgespannt, wie nachstehend erläutert wird.

Ein Widerstand mit großem Wert schützt das Gate wahrscheinlich sowieso nicht. Es kommt zu einem dauerhaften Durchschlag und zu Isolationsschäden, nicht wie bei einem Diodendurchschlag. Aus diesem Grund befinden sich die ESD-Zenerdioden auf der Gate-Zuleitung, um eine zu hohe Gate-Source-Spannung zu vermeiden.

Also, warum überhaupt einen Widerstand da reinstecken, fragst du? Nun, es ist so, dass die anderen (Überspannungs-) Zener ihr Ding machen können. Stellen Sie sich den schlimmsten Fall vor und wir schließen die Gate-Leitung zur Source kurz und erhöhen dann sadistisch die Spannung am Drain (durch eine externe Last), die auf den DS-Ausfall wartet. Wenn der Strom durch die Zenerdioden einige mA überschreitet, schaltet der MOSFET ein und begrenzt die Überspannung.

Leistungs-MOSFETs sind wegen der großen Gate-Kapazität ohnehin nicht sehr empfindlich gegen ESD. Das Tor bricht tatsächlich bei etwa 50 V bis 100 V zusammen, so dass eine Menge Energie zum Tor gelangen muss. Winzige MOSFETs wie HF-MOSFETs sind im Vergleich sehr empfindlich gegen ESD. Das typische ESD-Modell des menschlichen Körpers reicht jedoch aus, um selbst ein mäßig großes Leistungs-MOSFET-Gate zu beschädigen.

Es gibt einen weiteren Grund, einen Vorwiderstand vor ein MOSFET-Gate zu stellen - um das Schalten gezielt zu verlangsamen. Dies trägt zur Minimierung der Anstiegsgeschwindigkeiten im Stromkreis bei und kann daher leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen reduzieren, was eine nützliche EMV-Technik sein kann.

Klar ist jedoch, dass der abgebildete Widerstand absolut nicht im Lieferumfang enthalten ist - wie andere angemerkt haben, dient dies dazu, die Klemm-Zener im sicheren Betriebsbereich zu halten. Es ist auch zu beachten, dass das Verlangsamen der Schaltflanken negative Auswirkungen (erhöhte Wärmeverluste an Schaltflanken sind eins) auf die Schaltungsleistung hat - daher ist jede Verwendung dieser Technik ein Kompromiss.

Ein Gate-Vorwiderstand kann verwendet werden, wenn auch eine Zenerdiode verwendet wird, um die Gate-Source-Spannung auf weniger als den Vgs-Wert des MOSFET zu begrenzen. Die typische Nennspannung beträgt 20 V, und ein 10 V- oder 15 V-Zener würde verwendet.

Zum schnellen Ein- und Ausschalten kann ein kleiner Kondensator parallel zum Widerstand geschaltet werden. Angenommen, der Kondensator ist zunächst entladen. Wenn Sie den FET einschalten, fließt der Strom durch den Kondensator und es kommt zu einer nahezu sofortigen Ladungsteilung zwischen dem Kondensator und der Eingangskapazität des FET. Der FET wird sofort eingeschaltet. Ihre Einschaltgeschwindigkeit ist nahezu identisch mit derjenigen, die auftreten würde, wenn der Kondensator während der Flanke der Gate-Ansteuerungswellenform kurzgeschlossen wäre. Der gleiche Effekt funktioniert beim Ausschalten.

Die Gateladungsteilung funktioniert wie folgt. Angenommen, die Gate-Spannung und die Spannung über dem Kondensator sind anfangs 0 und dann eingeschaltet ...

V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive ist die Gate-Ansteuerspannung.
Qg ist die gesamte Gate-Ladung, die im FET-Datenblatt für die angegebenen Vgs = V_drive
aufgeführt ist. C_drive ist der Kondensator parallel zum Ansteuerwiderstand.
Vgs ist die FET-Gate-Source-Spannung.
V_c_drive ist die Spannung über C_drive nach dem Umschalten.

Wenn Sie beispielsweise den FET über einen 10-nF-Kondensator mit einem

10-V-Ansteuersignal ansteuern und die gesamte Gateladung 1 nC bei Vgs = 10 V beträgt, wird der Kondensator auf ... V_c_drive = 1 nC / 10 nF = 0,1
Vgs = 10 V - 0,1 aufgeladen V = 9,9 V

Es ist zu beachten, dass dies natürlich eine Annäherung ist, da Vgs nicht 10 V beträgt, so dass Qg tatsächlich etwas geringer ist als angenommen.

Der Parallel-Gate-Widerstand bewirkt, dass die Spannung am Kondensator immer 0 V beträgt. Nach dem Umschalten fällt die Kondensatorspannung langsam von 0,1 V auf 0 V mit der Geschwindigkeit der R * C-Zeitkonstante. In einem Ausschaltzyklus würde sich die Ladung in die andere Richtung teilen, sodass die endgültige Kondensatorspannung -0,1 V betragen würde, wenn sie mit derselben Ausrichtung gemessen würde, die beim Einschalten verwendet wurde.

Beachten Sie, dass Sie nicht warten müssen, bis sich der Kondensator entladen hat, bevor Sie den FET ausschalten. Wenn Sie den FET sofort ein- und wieder ausschalten würden, würde die Ladungsteilung beim Ausschalten genau das aufheben, was beim Einschalten passiert ist, und die Kondensatorspannung wäre am Ende des Zyklus nahezu 0.

Der Kondensatorwert sollte groß genug sein, dass die gesamte Gateladung des FET bei der gewünschten Ansteuerspannung nur eine kleine Kondensatorspannung ergibt, aber klein genug, dass nicht viel Übergangsenergie durchgelassen wird. Normalerweise sollte C_drive> Qg / 1V sein.

Die Höhe des Widerstands, den Sie verwenden können, hängt vom ungünstigsten Fall des Gate-Leckstroms im MOSFET-Datenblatt sowie von Ihrem Zener-Leck ab. Der wichtige Punkt ist, dass die Gesamtverlustzeiten des Serienwiderstands viel geringer sein müssen als die MOSFET-Schwellenspannung über der Temperatur.

Wenn Ihre FET-Schwellenspannung beispielsweise 3 V beträgt, muss R * leakage_current viel kleiner als 3 V sein. Der Punkt ist, zu verhindern, dass Leckströme den Widerstand überwältigen und eine Gleichstromvorspannung erzeugen, die den FET zur falschen Zeit ein- oder ausschaltet.

Die meisten FETs weisen in ihrem Datenblatt einen Gate-Leckstrom von weniger als 1 uA max auf. Bei den meisten Zenern treten mehrere uA aus und die Leckage steigt exponentiell mit der Temperatur an. Der Zener macht also den größten Teil der Gate-Leckage aus. Also 100K oder 10K sind meiner Meinung nach besser geeignet als 1MEG.