La resistencia en el circuito de la puerta o cómo hacerlo bien

Buen dia a todos!

Este breve artículo probablemente se convertirá en una hoja de trucos para los desarrolladores principiantes que desean diseñar circuitos de control de interruptores de semiconductores de potencia confiables y efectivos, actualizar y actualizar los viejos conocimientos de especialistas experimentados, o tal vez rascar los contenedores de memoria de los lectores al menos en algún lugar.

Estaré muy contento con cualquiera de estos casos.

En este artículo intentaré describir las preguntas más comunes sobre la elección de resistencias de compuerta para dispositivos electrónicos de potencia. Se basa en el conocimiento obtenido por mí de diversas publicaciones, apuntes de TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments, así como de una práctica modesta. Vale la pena señalar que esta información no proporciona recomendaciones directamente universales para cada tecla de encendido. Sin embargo, es posible analizar qué supuestos pueden ser importantes y qué influencia pueden tener en la elección de resistencias de puerta para transistores de potencia discretos, así como para módulos de potencia.

Los fundamentos

La resistencia de la compuerta se encuentra en el circuito entre el controlador del transistor de potencia y la compuerta del transistor, como se muestra en la imagen en el encabezado del artículo.

La tecla de campo abierto o cerrado (IGBT / MOSFET) depende del voltaje aplicado a la puerta. Un cambio en este voltaje carga o descarga la capacitancia de la compuerta del dispositivo de alimentación, que consiste en las capacidades del colector de compuerta $$$C_ {gc}$ y el obturador $$$C_ {ge}$ y una pequeña capacidad del obturador en sí. La carga de las capacidades de entrada de la llave la activará (actual $$$I_ {g.chrg}$ ), y la descarga se apagará (actual $$$I_ {g.dischrg}$ )



La resistencia en este circuito limita la corriente de carga / descarga de las capacidades de entrada, además, una resistencia seleccionada correctamente no permitirá que la llave se abra espontáneamente, lo que a veces puede suceder, debido a un cambio rápido en el voltaje en los terminales de alimentación de la llave, por ejemplo, esto puede suceder cuando el puente adyacente tiene topología de medio puente La llave se abre. En este caso, la capacidad $$$C_ {ge}$ La corriente que fluye a través de la resistencia de la compuerta se recarga y provoca una caída de voltaje, que puede abrir la llave. Además, el umbral de apertura de la tecla a menudo cae significativamente con el aumento de la temperatura del cristal semiconductor.

Lo que necesita saber y cómo elegir la resistencia "correcta"

1. Carga máxima del conductor / corriente de descarga

Cualquier microcircuito controlador tiene un parámetro como la corriente de salida máxima. Si la corriente de la puerta al abrir / cerrar la llave excede la corriente de salida máxima, el controlador puede fallar, por lo tanto, en este caso, la resistencia de la puerta limitará la corriente de salida del controlador.

Puede hacer un modelo de circuito equivalente, a partir del cual calcular el valor requerido de la resistencia:



Después de inferencias simples, podemos obtener fórmulas para calcular la corriente del controlador y elegir una resistencia de compuerta para no exceder los parámetros máximos permitidos del controlador:

$$

$$I_ {g.chrg} = \ frac {V_ {CC} -V_ {EE}} {R_ {drv.ON} + R_g},$$

$$

$$I_ {g.dischrg} = \ frac {V_ {CC} -V_ {EE}} {R_ {drv.OFF} + R_g}.$$

2. Disipación de potencia

Además, una de las funciones importantes de la resistencia de compuerta es disipar la potencia de la etapa de salida del microcircuito del controlador. Según el modelo anterior, la disipación de potencia se puede calcular utilizando las siguientes fórmulas:

$$

$$P_ {g.chrg} = \ frac {Q_g} {2} \ cdot (V_ {CC} -V_ {EE}) \ cdot f_ {sw} \ cdot \ frac {R_ {drv.ON}} {R_ { drv.ON} + R_g},$$

$$

$$P_ {g.dischrg} = \ frac {Q_g} {2} \ cdot (V_ {CC} -V_ {EE}) \ cdot f_ {sw} \ cdot \ frac {R_ {drv.OFF}} {R_ { drv.OFF} + R_g}.$$

Aqui $$$Q_g$ - la carga del obturador de la llave, y $$$f_ {sw}$ - frecuencia de conmutación.
Después de calcular y seleccionar una resistencia, es importante observar la siguiente condición:

$$

$$P_ {g.chrg} + P_ {g.dischrg} + P_ {drv} <P_ {drv.MAX},$$

donde $$$P_ {drv}$ - consumo propio del conductor.

Todavía hay una pequeña nota, en la mayoría de las hojas de datos, las teclas indican la carga del obturador bajo ciertas condiciones, por ejemplo, con un voltaje de control del obturador de + 15V ... -15V, si su circuito tiene un voltaje de control diferente, por ejemplo + 15V ... 0V, o +15 ... -8V, es suficiente para determinar con precisión la carga del obturador ayudará a las siguientes relaciones:

$$

$$Q_ {g (0 ... 15V)} = 0.6 \ cdot Q_g,$$

$$

$$Q_ {g (-8V ... 15V)} = 0.75 \ cdot Q_g.$$

3. Velocidad de encendido y compatibilidad electromagnética

Consideremos las pérdidas de conmutación en función de la resistencia de la resistencia de compuerta. Tomaré la clave que usé recientemente en mi pequeño proyecto: IKW40N120 de los favoritos de Infineon:



Como puede ver, a medida que aumenta la resistencia del obturador, la velocidad de conmutación disminuye y las pérdidas de conmutación aumentan. En consecuencia, esto afectará la eficiencia del sistema en su conjunto. Por el contrario, si aplica una menor resistencia del obturador, la conmutación será más rápida y las pérdidas se reducirán, pero el ruido causado por el rápido aumento de la corriente y el voltaje aumentará, lo que puede ser crítico cuando necesite cumplir con los requisitos de compatibilidad electromagnética, por lo tanto, debe elegir la resistencia del obturador con mucho cuidado .

4. La misma inclusión "espuria"

Al principio, cuando escribí sobre las funciones de la resistencia de compuerta, mencioné la posibilidad de que la llave se encienda espontáneamente. Para evitar que esto suceda, puede calcular el voltaje que puede aparecer en la puerta del transistor, mirar la imagen a continuación y anotar dos pequeñas fórmulas:

$$

$$I_ {dischrg} = C_ {gc} \ cdot \ frac {\ mathrm {d}} {\ mathrm {d} t} V_ {ce},$$

$$

$$U_g = I_ {dischrg} \ cdot (R_g + R_ {drv.OFF}).$$

Y no olvide que el voltaje de apertura de la llave depende en gran medida de la temperatura del cristal, y esto también debe tenerse en cuenta.

Conclusión

Ahora tenemos fórmulas para la selección óptima (hasta cierto punto) a primera vista de un elemento tan simple del circuito de potencia como una resistencia de compuerta.

Es posible que no hayas encontrado nada nuevo aquí, pero espero que al menos alguien esta nota sea útil.

Además, para ampliar mis horizontes, incluso en el área de administración de claves de energía, le recomiendo que dedique una o dos horas a la semana a leer todo tipo de artículos y apuntes de eminentes fabricantes de electrónica de potencia, especialmente sobre el uso de chips controladores. Estoy seguro de que encontrarás muchas cosas interesantes allí. Para comenzar y profundizar en este tema, sugiero este .

Gracias por leer!