Por que (não) colocar um resistor na porta FET?

Enquanto pensava em maneiras de proteger um MOSFET, uma idéia era colocar uma resistência extremamente alta em frente ao portão: a idéia é que a corrente nunca deve fluir através do portão; portanto, se algum transitório ameaçar o portão, a resistência limitará atual, possivelmente impedindo o FET de queimar.

De fato, enquanto pesquisava a proteção MOSFET, deparei-me com este produto integralmente protegido, que inclui em seus recursos "resistência interna do portão em série", como mostra o diagrama:

Se essa idéia estiver correta, a pergunta é: por que nem sempre colocar um resistor de megaohm diante do portão de qualquer FET?

Ou existe uma razão prática para que um resistor de porta normalmente não proteja o FET? Ou poderia ter algum efeito adverso no desempenho?

A fonte do portão é essencialmente um capacitor. Portanto, com esse alto resistor, levaria muito tempo para carregar. O MOSFET só liga quando o capacitor do gate é carregado acima de algum nível (a tensão limite), portanto você terá uma comutação muito lenta.

O motivo pelo qual os drivers de gate são freqüentemente usados ​​é porque eles podem carregar rapidamente o capacitor de gate (geralmente usando corrente acima de 1A), para que os tempos de comutação possam ser minimizados.

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Grandes resistores no portão diminuem a comutação do MOSFET. Isso é bom quando você está usando o MOSFET como um interruptor (ON-OFF), mas quando você está dirigindo um motor a uma frequência de 20 kHz e acima, a comutação deve ser rápida para minimizar as perdas de calor (alternar mais rápido significa menos perda de energia). Observe que o resistor que você vê no portão não se destina apenas a proteger o MOSFET ... ele também protege o que estiver dirigindo o MOSFET (por exemplo: um microcontrolador). Corrente excessiva pode acelerar e danificar o pino de E / S.

Como Darko disse, o MOSFET é um capacitor quando você o olha pelo lado do portão. A carga necessária para o capacitor carregar completamente é chamada de carga do portão (você pode encontrá-lo na folha de dados). Uma vez carregada, a resistência do MOSFET (RDS) diminui ao mínimo. Assim, você pode entender que tentar acionar este pino sem resistência em série significa que a corrente alta será afundada / fornecida pelo driver (o mesmo que a corrente de irrupção ao carregar um capacitor).

Editar: reinterpretando o valor mostrado na folha de dados. A resistência mostrada não é M$\Omega$, muito mais baixo, mais ou menos 3400 ohms, com base na mudança nos tempos de comutação com resistor de porta externo.

Na verdade, isso realmente diminui a comutação quando a carga do portão é alta, como o tempo mínimo de desligamento de 1,6 ms com uma carga de 15V 1,5A. O tempo de comutação assimétrico implica que eles podem realmente ter um diodo através do resistor para acelerar o tempo de ativação. O diodo terá polarização reversa ao prender, conforme explicado abaixo.

Um resistor de grande valor provavelmente não protegerá a porta de qualquer maneira, é um dano permanente de quebra e isolamento que ocorre, não como uma quebra de diodo. É por isso que os diodos zener ESD estão no cabo da porta, para evitar tensão excessiva na fonte da porta.

Então, por que colocar algum resistor lá dentro, você pergunta? Bem, é para que os outros zeners (sobretensão) possam fazer suas coisas. Imagine o pior caso e reduzimos o fio da porta até a fonte e, em seguida, aumentamos sádicamente a tensão no dreno (através de uma carga externa) esperando a quebra do DS. Quando a corrente através dos diodos zener excede alguns mA, o MOSFET liga e prende a sobretensão.

Os MOSFETs de potência geralmente não são muito sensíveis a ESD de qualquer maneira, devido à grande capacitância do gate. O portão realmente quebra em algo como 50V-100V normalmente, então muita energia tem que chegar ao portão. MOSFETs minúsculos, como MOSFETs de RF, são muito sensíveis ao ESD em comparação. No entanto, o modelo típico de corpo humano para ESD é suficiente para danificar até mesmo um portão MOSFET de potência moderadamente grande.

Há outra razão para colocar um resistor em série na frente de uma porta MOSFET - para desacelerar deliberadamente a comutação. Isso ajuda a minimizar as taxas de giro no circuito e, portanto, pode reduzir as emissões conduzidas e irradiadas, o que pode ser uma técnica útil da EMC.

No entanto, para ficar claro que não é absolutamente para isso que o resistor mostrado está incluído - como outros observaram, existe para manter os Zeners de aperto na região de operação segura. Além disso, observe que diminuir a velocidade das arestas de comutação tem efeitos negativos (perdas térmicas aumentadas nas arestas de comutação sendo uma) no desempenho do circuito - portanto, qualquer uso dessa técnica é um comprometimento.

Um resistor de série de gate pode ser usado se um diodo zener também for usado para limitar a tensão da fonte de gate a menos do que a classificação Vgs do MOSFET. A classificação típica é 20V, e um zener de 10V ou 15V seria usado.

Para ligar / desligar rapidamente, um pequeno capacitor pode ser colocado em paralelo com o resistor. Supondo que o capacitor seja descarregado inicialmente. Quando você liga, a corrente do FET flui através do capacitor e haverá uma divisão de carga quase instantânea entre o capacitor e a capacitância de entrada do FET. O FET liga instantaneamente. Sua velocidade de rotação será quase idêntica ao que aconteceria se o capacitor fosse curto durante a borda da forma de onda do acionamento do portão. O mesmo efeito funciona no desligamento.

A divisão de cobrança de portão funciona da seguinte maneira. Assumindo que a tensão do portão e a tensão no capacitor são inicialmente 0 e, ao ligar ...

V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive é a tensão de acionamento do portão.
Qg é a carga total da porta listada na folha de dados do FET para o Vgs dado = V_drive
C_drive é o capacitor em paralelo com o resistor do inversor.
Vgs é a tensão da fonte do portão FET.
V_c_drive é a tensão em C_drive após a troca.

Por exemplo, se você acionar o FET através de um capacitor de 10nF com um sinal de 10V, e a carga total da porta for de 1nC a Vgs = 10V, o capacitor carregará para ...

V_c_drive = 1nC / 10nF = 0,1V
Vgs = 10V - 0,1 V = 9.9V

Note que isto é obviamente uma aproximação, já que Vgs não é 10V, então Qg é realmente um pouco menor do que o assumido.

O efeito do resistor de porta paralela é sempre tender a aumentar a tensão no capacitor 0V. Portanto, após a troca, a tensão do capacitor cairá lentamente de 0,1V a 0V na taxa da constante de tempo R * C. Em um ciclo de desligamento, a carga se dividiria na outra direção, de modo que a tensão final do capacitor seria de -0,1V quando medida com a mesma orientação usada ao ligar.

Observe que você não precisa esperar o capacitor descarregar antes de desligar o FET. Se você ligasse e desligasse o FET imediatamente, a divisão de carga ao desligar cancelaria exatamente o que aconteceu durante a ativação e a tensão do capacitor seria quase 0 no final do ciclo.

O valor do capacitor deve ser grande o suficiente para que a carga total da porta do FET na tensão de unidade desejada produza apenas uma pequena tensão no capacitor, mas pequena o suficiente para não permitir a passagem de muita energia transitória. Normalmente você deve ter C_drive> Qg / 1V.

A quantidade de resistência que você pode usar depende da corrente de fuga do pior caso na folha de dados do MOSFET, bem como do vazamento do zener. O ponto importante é que o vazamento total multiplicado pela resistência em série deve ser muito menor que a tensão limite do MOSFET sobre a temperatura.

Por exemplo, se a tensão limite do FET for 3V, R * leakage_current deve ser muito menor que 3V. O objetivo é evitar que o vazamento sobrecarregue o resistor e crie um viés de CC que mantenha o FET ligado ou desligado no momento errado.

A maioria dos FETs lista um vazamento de portão abaixo de 1uA máx em sua folha de dados. A maioria dos zeners vaza vários uA e o vazamento aumenta exponencialmente com a temperatura. Portanto, o zener é responsável pela maior parte do vazamento do portão. Então 100K ou 10K é provavelmente mais apropriado que 1MEG na minha opinião.