¿Cómo diseñar el valor de resistencia de puerta?


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Esta es la hoja de datos del controlador IC en el que estoy trabajando (LM5112).

El siguiente es el diagrama de aplicación del módulo.

Circuito de aplicación

Básicamente este es el circuito del controlador GATE para el MOSFET con señal PDM como entrada. Estoy buscando cómo calcular el valor de la resistencia de entrada MOSFET (R3)?

Voltaje de entrada MOSFET (VDS) = 10V La potencia de salida requerida es 200W.

Preguntas:

1) ¿Cómo calcular la resistencia de entrada MOSFET?

2) ¿Cuáles son los factores que afectan el cálculo de la resistencia de entrada MOSFET?

3) ¿Cuál será el valor máximo y mínimo de resistencia posible y el efecto en el circuito si el valor de la resistencia cambia (aumenta o disminuye)?

Avíseme si necesita más información.


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+1 en lo que dijo peufeu. Comienzo con 10 ohmios para todas las puertas y sigo avanzando desde allí.
winny

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La capacitancia de entrada del MOSFET (se muestra como en la hoja de datos)Ciss y la resistencia de compuerta ( )RG formará un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte de . Esto debe tenerse en cuenta al seleccionar una resistencia de compuerta en serie. fC=1/(2π RG Ciss)
Rohat Kılıç

Respuestas:


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Si seleccionó este controlador, que tiene una gran corriente de salida (7A), supongo que necesita esta corriente de unidad de puerta para cambiar un FET muy grande muy rápido.

La resistencia de la compuerta solo ralentizará las cosas al reducir la corriente de accionamiento de la compuerta, por lo que su valor óptimo es cero ohmios. Su valor máximo depende de pérdidas de conmutación aceptables (la conmutación más lenta provoca más pérdidas de conmutación).

Sin embargo, la resistencia de compuerta todavía puede tener usos:

  • Reduzca la velocidad de la conmutación para reducir la EMI. Pero en este caso, también puede usar un controlador más débil (más barato).
  • Reduzca el pico actual extraído del suministro durante el encendido MOSFET. Si el desacoplamiento local no es lo suficientemente bueno, esta corriente podría hacer que el VCC se hunda, disparando el UVLO del chip. Afortunadamente, el pinout del chip hace que sea fácil lograr un desacoplamiento de baja inductancia.
  • En caso de que el diseño sea subóptimo con una traza de puerta larga. Esto agrega inductancia en la puerta que puede hacer que el MOSFET se oscile. Una resistencia amortiguará las oscilaciones, a costa de una conmutación más lenta. Esto es un poco una curita, es preferible un diseño ajustado.

Aconsejaría poner una huella de resistencia por si acaso, y comenzar con un puente 0R.


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La resistencia de la puerta también limita el pico de corriente cuando se carga / descarga la puerta. Sonidos 3A / 7A como mucho, pero con MOSFETs más grandes y más grandes capacidades de compuerta, estos valores ya no parecen tan grandes,
Trevor_G

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Sí, también este controlador necesitará un desacoplamiento sólido
peufeu

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Como dijo @Trevor, la resistencia está allí principalmente debido al efecto de la capacitancia de la puerta en el circuito de conducción. Ese es el punto de partida.
TonyM

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Tenga en cuenta que también puede usar uno o dos diodos y dos resistencias para tener una resistencia diferente para cargar o descargar la puerta, lo que puede permitirle ajustar la velocidad de encendido y apagado de forma independiente. Apagar demasiado el MOSFET puede ser malo si está impulsando una carga inductiva, por lo que no diría que "cero" ohmios es un punto de partida para el valor óptimo.
Dennis

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@ vt673 la hoja de datos ofrece un diseño de ejemplo con la posición de las tapas de desacoplamiento, ¡se recomienda encarecidamente seguir este ejemplo! Usaría 1 µF en 0603 // 10 µF en tapas de paquetes más grandes. ¿Cuál es la frecuencia de conmutación?
peufeu

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Comprender la puerta de un mosfet

Los MOSFET son dispositivos notables que proporcionan muchos beneficios cuando se manejan varias cargas. El hecho de que estén controlados por voltaje y que, cuando están encendidos, tienen resistencias muy bajas, los convierte en el dispositivo elegido para muchas aplicaciones.

Sin embargo, cómo funciona realmente la puerta es probablemente una de las características menos entendidas para muchos que serían los diseñadores.

Veamos tu típico circuito MOSFET.

NOTA: Aquí solo voy a ilustrar los dispositivos de N-Channel, pero P-Channel funciona con los mismos mecanismos.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

RGATERGATE

esquemático

simular este circuito

RgCGSCGD

Para complicar aún más las cosas, esas capacidades no son constantes y cambian según los voltajes aplicados. Un ejemplo típico se muestra a continuación.

ingrese la descripción de la imagen aquí

CGSCGD

Igate=VGate/(Rsource+RGATE+Rg)

RGATERg

RGATE=VGate/(Imax)

NOTA: Es posible usar dos resistencias de compuerta, con diodos asociados si los límites de fuente y sumidero son diferentes en el controlador, o si es necesario afilar los bordes de encendido o apagado.


Tiempo lo es todo

Ok, ahora quizás puedas ver por qué la resistencia de la compuerta es importante. Sin embargo, ahora debe comprender las implicaciones de tener esa resistencia de compuerta y qué sucede si es demasiado grande.

RGATECGSCGD

Analicemos este simple circuito.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Aquí he elegido un MOSFET típico que tiene una resistencia de entrada de alrededor de 2.5 ohmios. Con el drenaje en cortocircuito al suelo como se muestra arriba, las siguientes trazas se pueden trazar en el borde ascendente de los pules.

ingrese la descripción de la imagen aquí

RGate

El borde descendente del pulso es, como es lógico, similar.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Ok, entonces apliquemos un voltaje pequeño, 1V, a la puerta, con una resistencia de carga de 1 Ohm.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Hay tres cosas que debe tener en cuenta en los rastros anteriores.

  1. VDCGDCGD

  2. RGATE

  3. Si tiene un ojo de águila, también puede notar una ligera desviación en I (R_GATE) cuando se enciende el MOSFET.

Ok, ahora déjame mostrarte un voltaje más realista con 10V y 10 Ohms en la carga.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Vsols

VsolSCsolreCsolreCsolreCsolSVsolS

En este punto, algo debería haberte hecho evidente. Es decir...

¡El retardo de encendido está cambiando con el voltaje de carga!

Csolre

Vamos a subirlo al máximo que este dispositivo puede manejar, 300V, aún con 1A de carga.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Observe que la mancha plana ahora es MUY larga. El dispositivo permanece en modo lineal y tarda mucho más en encenderse por completo. De hecho, tuve que ampliar la base de tiempo en esta imagen. La corriente de la puerta ahora se mantiene durante alrededor de 6uS.

Mirando el tiempo de apagado es aún peor en este ejemplo.

ingrese la descripción de la imagen aquí

Csolre

Esto significa que si está modulando la potencia a una carga, la frecuencia con la que puede manejarla depende en gran medida del voltaje que está cambiando.

Qué tipo de trabajo funciona a 100Khz a 10V ... con una corriente de puerta promedio de aproximadamente 400mA ...

ingrese la descripción de la imagen aquí

No tiene esperanza a 300V.

ingrese la descripción de la imagen aquí

A estas frecuencias, la potencia disipada en el MOSFET, la resistencia de la puerta y el controlador probablemente será suficiente para destruirlos.


Conclusión

Además de los simples usos de baja frecuencia, ajustar MOSFETS para trabajar a voltajes y frecuencias más altas requiere una cantidad considerable de desarrollo cuidadoso para extraer las características que pueda necesitar. Cuanto más alto vayas, más potente debe ser el controlador MOSFET para que puedas usar la menor resistencia posible.


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+1 porque esta respuesta es mejor que la mía LOL
peufeu

@peufeu meh ... diferente ... tal vez no mejor. ;)
Trevor_G

¿Qué valor en la hoja de datos corresponde a Imax en la ecuación?
Marek
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