Der Widerstand in der Gate-Schaltung oder wie man es richtig macht

Guten Tag an alle!

Dieser kurze Artikel wird wahrscheinlich zu einem Spickzettel für Anfänger, die zuverlässige und effektive Leistungshalbleiter-Schaltsteuerungsschaltungen entwerfen, das alte Wissen erfahrener Spezialisten aktualisieren und auffrischen oder vielleicht zumindest irgendwo die Speicherplätze von Lesern zerkratzen möchten.

Ich werde mich über jeden dieser Fälle sehr freuen.

In diesem Artikel werde ich versuchen, die häufigsten Fragen bei der Auswahl von Gate-Widerständen für leistungselektronische Geräte zu beschreiben. Es basiert auf dem Wissen, das ich aus verschiedenen Literaturstellen, Apnoten von TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments sowie aus bescheidenen Praktiken gewonnen habe. Es ist anzumerken, dass diese Informationen nicht direkt universelle Empfehlungen für jeden Netzschlüssel enthalten. Es ist jedoch möglich zu analysieren, welche Annahmen wichtig sein können und welchen Einfluss sie auf die Wahl der Gate-Widerstände für diskrete Leistungstransistoren sowie für Leistungsmodule haben können.

Die Grundlagen

Der Gate-Widerstand befindet sich in der Schaltung zwischen dem Treiber des Leistungstransistors und dem Gate des Transistors selbst, wie in der Abbildung im Header des Artikels gezeigt.

Der offene oder geschlossene Feldschlüssel (IGBT / MOSFET) hängt von der an das Gate angelegten Spannung ab. Eine Änderung dieser Spannung lädt oder entlädt die Gatekapazität des Leistungsgeräts, das aus den Gatekollektorkapazitäten besteht $$$C_ {gc}$ und Shutter-Emitter $$$C_ {ge}$ und eine kleine Kapazität des Verschlusses selbst. Die Ladung der Eingangskapazitäten des Schlüssels schaltet ihn ein (Strom $$$I_ {g.chrg}$ ) und die Entladung wird ausgeschaltet (Strom $$$I_ {g.dischrg}$ )



Der Widerstand in dieser Schaltung begrenzt den Lade- / Entladestrom der Eingangskapazitäten. Außerdem lässt ein korrekt ausgewählter Widerstand nicht zu, dass sich der Schlüssel spontan öffnet. Dies kann manchmal aufgrund einer schnellen Spannungsänderung an den Leistungsanschlüssen des Schlüssels auftreten, z. B. wenn die benachbarte Brücke eine Halbbrückentopologie aufweist Der Schlüssel öffnet sich. In diesem Fall die Kapazität $$$C_ {ge}$ Der durch den Gate-Widerstand fließende Strom wird aufgeladen und verursacht einen Spannungsabfall, der den Schlüssel öffnen kann. Außerdem fällt die Schlüsselöffnungsschwelle mit zunehmender Temperatur des Halbleiterkristalls häufig signifikant ab.

Was Sie wissen müssen und wie Sie den „richtigen“ Widerstand auswählen

1. Maximaler Lade- / Entladestrom des Fahrers

Jede Treiber-Mikroschaltung hat einen Parameter wie den maximalen Ausgangsstrom. Wenn der Gate-Strom beim Öffnen / Schließen des Schlüssels den maximalen Ausgangsstrom überschreitet, kann der Treiber ausfallen. In diesem Fall begrenzt der Gate-Widerstand den Ausgangsstrom des Treibers.

Sie können ein Ersatzschaltbild erstellen, aus dem der erforderliche Wert des Widerstands berechnet wird:



Nach einfachen Schlussfolgerungen können wir Formeln zur Berechnung des Treiberstroms erhalten und einen Gate-Widerstand auswählen, um die maximal zulässigen Treiberparameter nicht zu überschreiten:

$$

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

$$

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

2. Verlustleistung

Eine der wichtigen Funktionen des Gate-Widerstands besteht auch darin, die Leistung der Ausgangsstufe der Treiber-Mikroschaltung abzuleiten. Gemäß dem obigen Modell kann die Verlustleistung unter Verwendung der folgenden Formeln berechnet werden:

$$

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

$$

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

Hier $$$Q_g$ - die Verschlussladung des Schlüssels und $$$f_ {sw}$ - Schaltfrequenz.
Nach der Berechnung und Auswahl eines Widerstands ist es wichtig, die folgenden Bedingungen zu beachten:

$$

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

wo $$$P_ {drv}$ - Eigener Fahrerverbrauch.

Es gibt noch einen kleinen Hinweis: In den meisten Datenblättern geben die Tasten die Verschlussladung unter bestimmten Bedingungen an, z. B. bei einer Verschlusssteuerspannung von + 15 V ... -15 V, wenn Ihre Schaltung eine andere Steuerspannung hat, z. B. + 15 V ... 0 V oder +15 ... -8V, es reicht aus, die Verschlussladung genau zu bestimmen, um die folgenden Beziehungen zu unterstützen:

$$

$$Q_ {g (0 ... 15 V)} = 0,6 \ cdot Q_g,$$

$$

$$Q_ {g (-8 V ... 15 V)} = 0,75 \ cdot Q_g.$$

3. Einschaltgeschwindigkeit und elektromagnetische Verträglichkeit

Betrachten wir Schaltverluste als Funktion des Widerstands des Gate-Widerstands. Ich nehme den Schlüssel, den ich kürzlich in meinem kleinen Projekt verwendet habe - IKW40N120 von Infineons Favoriten:



Wie Sie sehen können, nimmt die Schaltgeschwindigkeit mit zunehmendem Verschlusswiderstand ab und die Schaltverluste nehmen zu. Dementsprechend wirkt sich dies auf die Effizienz des gesamten Systems aus. Im Gegenteil, wenn Sie einen niedrigeren Verschlusswiderstand anwenden, wird das Schalten schneller und die Verluste werden verringert. Das durch den schnellen Anstieg von Strom und Spannung verursachte Rauschen nimmt jedoch zu. Dies kann kritisch sein, wenn Sie die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit erfüllen müssen. Daher müssen Sie den Verschlusswiderstand sehr sorgfältig auswählen .

4. Dieselbe "falsche" Aufnahme

Als ich am Anfang über die Funktionen des Gate-Widerstands schrieb, erwähnte ich die Möglichkeit, dass sich der Schlüssel spontan einschaltet. Um dies zu verhindern, können Sie die Spannung berechnen, die am Gate des Transistors auftreten kann. Sehen Sie sich das Bild unten an und notieren Sie zwei kleine Formeln:

$$

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

$$

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

Und vergessen Sie nicht, dass die Öffnungsspannung des Schlüssels stark von der Temperatur des Kristalls abhängt, und dies muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Fazit

Jetzt haben wir Formeln für die optimale (bis zu einem gewissen Grad) Auswahl eines so einfachen Elements der Leistungsschaltung wie eines Gate-Widerstands auf den ersten Blick.

Es ist möglich, dass Sie hier nichts Neues gefunden haben, aber ich hoffe, dass zumindest jemand diese Notiz nützlich sein wird.

Um meinen Horizont zu erweitern, auch im Bereich der Verwaltung von Stromschlüsseln, empfehle ich Ihnen dringend, ein oder zwei Stunden pro Woche für das Lesen aller Arten von Artikeln und Apnoten namhafter Hersteller von Leistungselektronik zu verwenden, insbesondere für die Verwendung von Treiberchips. Ich bin sicher, dass Sie dort viele interessante Dinge finden werden. Um zu beginnen und tiefer in dieses Thema einzutauchen, schlage ich dieses vor .

Danke fürs Lesen!