La résistance dans le circuit de grille ou comment le faire correctement

Bonne journée à tous!

Ce court article deviendra probablement une feuille de triche pour les développeurs débutants qui souhaitent concevoir des circuits de commande de commutateurs à semi-conducteurs de puissance fiables et efficaces, mettre à jour et actualiser les anciennes connaissances de spécialistes expérimentés, ou peut-être rayer la mémoire des lecteurs au moins quelque part.

Je serai très heureux de l'un de ces cas.

Dans cet article, je vais essayer de décrire les questions les plus courantes du choix des résistances de grille pour les appareils électroniques de puissance. Il est basé sur les connaissances que j'ai glanées dans diverses publications, les apnotes de TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments, ainsi que d'une pratique modeste. Il convient de noter que ces informations ne fournissent pas de recommandations directement universelles pour chaque touche d'alimentation. Néanmoins, il est possible d'analyser quelles hypothèses peuvent être importantes et quelle influence elles peuvent avoir sur le choix des résistances de grille pour les transistors de puissance discrets, ainsi que pour les modules de puissance.

Les bases

La résistance de grille est située dans le circuit entre le conducteur du transistor de puissance et la grille du transistor lui-même, comme indiqué dans l'image dans l'en-tête de l'article.

La clé de champ ouvert ou fermé (IGBT / MOSFET) dépend de la tension appliquée à la porte. Une variation de cette tension charge ou décharge la capacité de grille du dispositif d'alimentation, qui se compose des capacités de grille-collecteur $$$C_ {gc}$ et obturateur $$$C_ {ge}$ et une petite capacité de l'obturateur lui-même. La charge des capacités d'entrée de la clé l'allumera (courant $$$I_ {g.chrg}$ ), et la décharge s'éteindra (courant $$$I_ {g.dischrg}$ )



La résistance de ce circuit limite le courant de charge / décharge des capacités d'entrée.En outre, une résistance correctement sélectionnée ne permettra pas à la clé de s'ouvrir spontanément, ce qui peut parfois se produire, en raison d'un changement rapide de tension aux bornes de puissance de la clé, par exemple, cela peut se produire lorsque le pont adjacent a une topologie en demi-pont la clé s'ouvre. Dans ce cas, la capacité $$$C_ {ge}$ Le courant traversant la résistance de grille est rechargé et provoque une chute de tension sur celle-ci, ce qui peut ouvrir la clé. De plus, le seuil d'ouverture de clé baisse souvent de manière significative avec l'augmentation de la température du cristal semi-conducteur.

Ce que vous devez savoir et comment choisir la «bonne» résistance

1. Courant maximal de charge / décharge du conducteur

Tout microcircuit de pilote a un paramètre tel que le courant de sortie maximal. Si le courant de grille lors de l'ouverture / fermeture de la clé dépasse le courant de sortie maximum, le pilote peut échouer, par conséquent, dans ce cas, la résistance de grille limitera le courant de sortie du pilote.

Vous pouvez créer un modèle de circuit équivalent, à partir duquel calculer la valeur requise de la résistance:



Suite à des inférences simples, nous pouvons obtenir des formules de calcul du courant d'attaque, et choisir une résistance de grille afin de ne pas dépasser les paramètres d'attaque maximum permis:

$$

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

$$

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

2. Dissipation de puissance

De plus, l'une des fonctions importantes de la résistance de grille est de dissiper la puissance de l'étage de sortie du microcircuit d'attaque. Selon le modèle ci-dessus, la dissipation de puissance peut être calculée à l'aide des formules suivantes:

$$

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

$$

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

Ici $$$Q_g$ - la charge d'obturation de la clé, et $$$f_ {sw}$ - fréquence de commutation.
Après avoir calculé et sélectionné une résistance, il est important de respecter la condition suivante:

$$

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

où $$$P_ {drv}$ - consommation du conducteur.

Il y a encore une petite note, dans la plupart des fiches techniques, les touches indiquent la charge de l'obturateur dans certaines conditions, par exemple, avec une tension de commande de l'obturateur de + 15V ... -15V, si votre circuit a une tension de commande différente, par exemple + 15V ... 0V, ou +15 ... -8V, il suffit de déterminer avec précision la charge d'obturation aidera les relations suivantes:

$$

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

$$

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

3. Vitesse d'activation et compatibilité électromagnétique

Considérons les pertes de commutation en fonction de la résistance de la résistance de grille. Je prendrai la clé que j'ai récemment utilisée dans mon petit projet - IKW40N120 parmi les favoris d'Infineon:



Comme vous pouvez le voir, à mesure que la résistance d'obturation augmente, la vitesse de commutation diminue et les pertes de commutation augmentent. Par conséquent, cela affectera l'efficacité du système dans son ensemble. Au contraire, si vous appliquez une résistance d'obturation inférieure, la commutation deviendra plus rapide et les pertes seront réduites, mais le bruit provoqué par l'augmentation rapide du courant et de la tension augmentera, ce qui peut être critique lorsque vous devez répondre aux exigences de compatibilité électromagnétique, par conséquent, vous devez choisir la résistance d'obturation très soigneusement. .

4. La même inclusion «fausse»

Au début, lorsque j'ai écrit sur les fonctions de la résistance de grille, j'ai mentionné la possibilité que la clé s'allume spontanément. Pour éviter cela, vous pouvez calculer la tension qui peut apparaître sur la grille du transistor, regarder l'image ci-dessous et noter deux petites formules:

$$

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

$$

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

Et n'oubliez pas que la tension d'ouverture de la clé dépend fortement de la température du cristal, et cela doit également être pris en compte.

Conclusion

Nous avons maintenant des formules pour une sélection optimale (dans une certaine mesure) à première vue d'un élément aussi simple du circuit de puissance qu'une résistance de grille.

Il est possible que vous n'ayez rien trouvé de nouveau ici, mais j'espère qu'au moins quelqu'un cette note vous sera utile.

De plus, afin d'élargir mes horizons, y compris dans le domaine de la gestion des clés de puissance, je vous conseille fortement de consacrer une heure ou deux par semaine à la lecture de toutes sortes d'articles et d'apnotes d'éminents fabricants d'électronique de puissance, en particulier sur l'utilisation des puces de pilote. Je suis sûr que vous y trouverez beaucoup de choses intéressantes. Pour commencer, et pour approfondir ce sujet, je suggère celui-ci .

Merci d'avoir lu!