Wie entwerfe ich den Gate-Widerstandswert?

Dies ist das Datenblatt des Treiber-IC, an dem ich arbeite (LM5112).

Es folgt das Anwendungsdiagramm des Moduls.

Grundsätzlich ist dies die GATE-Treiberschaltung für den MOSFET mit PDM-Signal als Eingang. Ich suche nach einer Berechnung des Werts des MOSFET-Eingangswiderstands (R3).

MOSFET-Eingangsspannung (VDS) = 10 V Die erforderliche Ausgangsleistung beträgt 200 W.

Fragen:

1) Wie berechnet man den MOSFET-Eingangswiderstand?

2) Welche Faktoren beeinflussen die Berechnung des MOSFET-Eingangswiderstands?

3) Was ist der maximal mögliche, minimale Widerstandswert und die Auswirkung in der Schaltung, wenn der Widerstandswert geändert wird (erhöht oder verringert)?

Bitte lassen Sie mich wissen, wenn weitere Informationen erforderlich sind.

Wenn Sie diesen Treiber ausgewählt haben, der einen großen Ausgangsstrom (7A) hat, dann benötigen Sie vermutlich diesen Gate-Ansteuerstrom, um einen sehr großen FET sehr schnell zu schalten.

Der Gate-Widerstand verlangsamt nur die Geschwindigkeit, indem er den Gate-Ansteuerstrom reduziert, sodass sein optimaler Wert Null Ohm beträgt. Sein Maximalwert hängt von akzeptablen Schaltverlusten ab (langsameres Schalten verursacht mehr Schaltverluste).

Der Gate-Widerstand kann jedoch weiterhin verwendet werden:

• Verlangsamen Sie die Umschaltung, um EMI zu reduzieren. In diesem Fall können Sie aber auch einen schwächeren (billigeren) Treiber verwenden.
• Reduzieren Sie die Stromspitze, die während des Einschaltens des MOSFET aus der Versorgung gezogen wird. Wenn die lokale Entkopplung nicht gut genug ist, kann dieser Strom dazu führen, dass der VCC durchhängt und das UVLO des Chips auslöst. Glücklicherweise macht es die Pinbelegung des Chips leicht, eine Entkopplung mit niedriger Induktivität zu erreichen.
• Falls das Layout mit einer langen Gate-Spur nicht optimal ist. Dies fügt dem Gate eine Induktivität hinzu, die dazu führen kann, dass der MOSFET osilliert. Ein Widerstand dämpft die Schwingungen auf Kosten eines langsameren Schaltens. Dies ist ein kleines Pflaster, ein enges Layout ist vorzuziehen.

Ich würde empfehlen, für alle Fälle einen Widerstands-Footprint zu erstellen und mit einem 0R-Jumper zu beginnen.

Das Gate eines MOSFET verstehen

MOSFETs sind bemerkenswerte Bauelemente, die beim Ansteuern verschiedener Lasten viele Vorteile bieten. Die Tatsache, dass sie spannungsgesteuert sind und im eingeschalteten Zustand sehr niedrige Widerstände aufweisen, macht sie für viele Anwendungen zum Gerät der Wahl.

Wie das Tor tatsächlich funktioniert, ist jedoch wahrscheinlich eines der am wenigsten verstandenen Merkmale für viele Designer.

Schauen wir uns Ihre typische MOSFET-Schaltung an.

HINWEIS: Ich werde hier nur N-Kanal-Geräte veranschaulichen, aber P-Kanal funktioniert nach denselben Mechanismen.

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab}

$R_{GATE}$$R_{GATE}$

^{simulieren Sie diese Schaltung}

$R_g$$C_{GS}$$C_{GD}$

Um die Sache noch weiter zu verkomplizieren, sind diese Kapazitäten nicht konstant und ändern sich in Abhängigkeit von den angelegten Spannungen. Ein typisches Beispiel ist unten gezeigt.

$C_{GS}$$C_{GD}$

$I_{gate} = V_{Gate}/(R_{source} + R_{GATE} + R_g)$

$R_{GATE}$$R_g$

$R_{GATE} = V_{Gate}/(I_{max})$

HINWEIS: Es ist möglich, zwei Gate-Widerstände mit zugehörigen Dioden zu verwenden, wenn die Quellen- und Senkengrenzwerte im Treiber unterschiedlich sind oder die Ein- oder Ausschaltkanten geschärft werden müssen.

Timing ist alles

Ok, jetzt können Sie vielleicht sehen, warum der Gate-Widerstand wichtig ist. Jetzt müssen Sie jedoch die Auswirkungen dieses Gate-Widerstands verstehen und wissen, was passiert, wenn er zu groß ist.

$R_{GATE}$$C_{GS}$$C_{GD}$

Lassen Sie uns diese einfache Schaltung analysieren.

Hier habe ich einen typischen MOSFET gewählt, der einen Eingangswiderstand von ca. 2,5 Ohm hat. Wenn der Abfluss wie oben gezeigt gegen Masse kurzgeschlossen ist, können die folgenden Spuren an der ansteigenden Kante der Pules aufgezeichnet werden.

$R_{Gate}$

Die fallende Flanke des Impulses ist nicht überraschend ähnlich.

Ok, also legen wir eine kleine Spannung von 1 V an das Gate mit einem 1-Ohm-Lastwiderstand an.

Es gibt drei Dinge, die Sie in den obigen Spuren beachten sollten.

1. $V_{D}$$C_{GD}$$C_{GD}$

2. $R_{GATE}$

3. Wenn Sie ein Adlerauge haben, können Sie beim Einschalten des MOSFET auch eine leichte Ablenkung in I (R_GATE) feststellen.

Ok, jetzt möchte ich Ihnen eine realistischere Spannung mit 10 V und 10 Ohm an der Last zeigen.

$V_{gs}$

$V_{GS}$$C_{GD}$$C_{GD}$$C_{GD}$$C_{GS}$$V_{GS}$

An diesem Punkt sollte Ihnen etwas klar geworden sein. Das ist...

Die Einschaltverzögerung ändert sich mit der Lastspannung!

$C_{GD}$

Lassen Sie es auf das Maximum hochfahren, das dieses Gerät verarbeiten kann, 300 V, immer noch mit 1 A Last.

Beachten Sie, dass der flache Fleck jetzt SEHR lang ist. Das Gerät bleibt im linearen Modus und es dauert viel länger, bis es vollständig eingeschaltet ist. Tatsächlich musste ich die Zeitbasis in diesem Bild erweitern. Der Gate-Strom wird jetzt für ungefähr 6 uS aufrechterhalten.

In diesem Beispiel ist die Ausschaltzeit noch schlimmer.

$C_{GD}$

Wenn Sie also die Leistung einer Last modulieren, hängt die Frequenz, mit der Sie sie betreiben können, stark von der Spannung ab, die Sie schalten.

Was funktioniert bei 100 kHz bei 10 V ... mit einem durchschnittlichen Gate-Strom von ca. 400 mA ...

Hat bei 300V keine Hoffnung.

Bei diesen Frequenzen wird die im MOSFET, im Gate-Widerstand und im Treiber verbrauchte Leistung wahrscheinlich ausreichen, um sie zu zerstören.

Fazit

Abgesehen von einfachen Niederfrequenzanwendungen erfordert die Feinabstimmung von MOSFETs, um bei höheren Spannungen und Frequenzen zu arbeiten, eine beträchtliche sorgfältige Entwicklung, um die Eigenschaften zu extrahieren, die Sie möglicherweise benötigen. Je höher Sie gehen, desto leistungsfähiger muss der MOSFET-Treiber sein, damit Sie so wenig Gate-Widerstand wie möglich verwenden können.