在考慮保護MOSFET的方法時,一個想法是在門的前面放置一個極高的電阻:這個想法是永遠不要讓電流流過門,所以如果有的話瞬態威脅著柵極,電阻會限制電流,可能防止FET燒壞。
事實上,在研究MOSFET保護時,我遇到了這種整體保護的產品,其中包括如圖所示,其功能為“內部串聯柵極電阻”:
如果這個想法是正確的,那麼問題是:為什麼不總是在任何FET的柵極之前都放置一個兆歐電阻?
還是有實際的原因,柵極電阻會通常不會保護FET?還是會對性能產生不利影響?
在考慮保護MOSFET的方法時,一個想法是在門的前面放置一個極高的電阻:這個想法是永遠不要讓電流流過門,所以如果有的話瞬態威脅著柵極,電阻會限制電流,可能防止FET燒壞。
事實上,在研究MOSFET保護時,我遇到了這種整體保護的產品,其中包括如圖所示,其功能為“內部串聯柵極電阻”:
如果這個想法是正確的,那麼問題是:為什麼不總是在任何FET的柵極之前都放置一個兆歐電阻?
還是有實際的原因,柵極電阻會通常不會保護FET?還是會對性能產生不利影響?
柵源本質上是一個電容器。因此,使用此高電阻器,將需要很長時間才能充電。MOSFET僅在柵極電容器充電到某個水平(閾值電壓)以上時才導通,因此您的開關速度非常慢。
經常使用柵極驅動器的原因是因為它們能夠迅速為柵極電容器充電(通常使用大於1A的電流),以使開關時間最小化。
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柵極上的大電阻會減慢MOSFET的開關速度。當您將MOSFET用作開關(ON-OFF)時是可以的,但是當您以20kHZ及更高的頻率驅動電動機時,應盡快進行開關以最大程度地減少熱量損失(開關速度越快意味著功率損耗越少)。請注意,您在門口看到的電阻器不僅用於保護MOSFET,還用於保護驅動MOSFET的所有器件(例如:微控制器)。過大的電流可能會湧入並損壞I / O引腳。
如Darko所說,從柵極側看MOSFET就是電容器。該電容器充滿電所需的電荷稱為柵極電荷(您可以在數據表中找到它)。充電後,MOSFET的電阻(RDS)降至最小值。因此,您可以理解,嘗試在沒有串聯電阻的情況下驅動該引腳意味著驅動器將沉沒/拉高電流(與為電容器充電時的浪湧電流相同)。
編輯:重新解釋數據表上顯示的值。顯示的電阻不是M \ $ \ Omega \ $,要低得多,它更像是 3400歐姆,具體取決於外部柵極電阻器切換時間的變化。
實際上,這在柵極電荷較高時確實會減慢開關速度,例如在15V 1.5A負載下的最小關斷開關時間為1.6ms。不對稱的開關時間意味著它們實際上可能在電阻兩端有一個二極管,以加快“接通”時間。箝位時,二極管將反向偏置,如下所述。
大阻值的電阻無論如何也無法保護柵極,這是永久性擊穿和絕緣損壞,而不是二極管擊穿。因此,ESD齊納二極管位於柵極引線上,以防止柵極-源極電壓過高。
那麼,為什麼要在您要求的地方放一個電阻器呢?好吧,這樣其他(過電壓)齊納管就可以完成任務。想像最壞的情況,我們將柵極引線短接到源極,然後可悲地增加漏極上的電壓(通過一些外部負載),等待D-S擊穿。當流過齊納二極管的電流超過某個mA時,MOSFET將導通並箝位過電壓。
由於柵極電容很大,因此功率MOSFET通常對ESD不太敏感。柵極實際上會在大約50V-100V的電壓下擊穿,因此大量能量必須到達柵極。相比較而言,RF MOSFET之類的微小MOSFET對ESD非常敏感。但是,典型的ESD人體模型甚至足以損壞中等功率的MOSFET柵極。
還有一個理由要在MOSFET柵極的前面放置一個串聯電阻-故意降低開關速度。這有助於最小化電路中的壓擺率,因此可以減少傳導和輻射發射,這可能是有用的EMC技術。
但是,要明確的是,包括電阻器的用途絕對不是 -正如其他人所指出的那樣,這是為了將箝位穩壓管保持在安全的工作區域內。另外,請注意,降低開關沿的速度會對電路性能產生負面影響(開關沿的熱損耗增加一個),因此,使用此技術都是一種折衷方案。
如果還使用齊納二極管將柵極源極電壓限制為小於MOSFET的Vgs額定值,則可以使用柵極串聯電阻。典型額定值為20V,並且將使用10V或15V齊納二極管。
為了快速打開/關閉,可以在電阻上並聯一個小電容器。假設電容器最初已放電。當您打開FET時,電流將流經電容器,並且電容器與FET的輸入電容之間幾乎會發生瞬時電荷分配。 FET將立即導通。如果在柵極驅動波形的邊緣期間電容器短路,則打開速度將幾乎相同。關斷時效果相同。
柵極電荷分配的工作原理如下。假設柵極電壓和電容器兩端的電壓最初為0,然後導通...
V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive-V_c_drive
V_drive是柵極驅動電壓對於給定的Vgs,QBR是FET數據表中列出的總柵極電荷= V_drive
C_drive是與驅動電阻並聯的電容器。
Vgs是FET柵極源極電壓。
V_c_drive是開關之後C_drive兩端的電壓。
例如,如果通過具有10V驅動信號的10nF電容器驅動FET,並且在Vgs = 10V時總柵極電荷為1nC,則電容器將被充電。 ..
V_c_drive = 1nC / 10nF = 0.1V
Vgs = 10V-0.1V = 9.9V
請注意,這當然是一個近似值,因為Vgs不是10V,因此Qg實際上是
並聯柵極電阻的作用總是使電容器兩端的電壓趨於0V。因此,開關之後,電容器電壓將以R * C時間常數的速率從0.1V緩慢降至0V。在關斷週期中,電荷將以另一種方式分配,因此,以在接通時使用的相同方向進行測量時,最終電容器電壓將為-0.1V。
請注意,在關閉FET之前,無需等待電容器放電。如果您要立即將FET從打開狀態切換到關閉狀態,則關閉時的電荷分配將完全抵消打開時發生的情況,並且在周期結束時電容器電壓將接近於0。
電容器的值應足夠大,以使FET在所需的驅動電壓下的總柵極電荷僅產生較小的電容器電壓,但又應足夠小,以免過多的瞬態能量通過。通常,您應該使C_drive> Qg / 1V。
可以使用的電阻量取決於MOSFET數據表中最壞的情況下柵極洩漏電流以及齊納洩漏。重要的一點是,在整個溫度範圍內,總洩漏時間乘以串聯電阻的總和必須遠小於MOSFET閾值電壓。例如,如果您的FET閾值電壓為3V,則R *洩漏電流必須遠小於3V。關鍵是要防止洩漏使電阻器不堪重負,並防止在錯誤的時間使FET導通或關斷的直流偏置。
大多數FET在其數據表中列出了最大1uA以下的柵極洩漏。大多數齊納二極管洩漏幾uA,並且洩漏隨溫度呈指數增長。因此,齊納二極管解決了大部分柵極洩漏問題。因此,我認為100K或10K可能比1MEG更合適。