O resistor no circuito do portão ou como fazê-lo corretamente

Bom dia a todos!

Este pequeno artigo provavelmente se tornará uma cábula para desenvolvedores iniciantes que desejam projetar circuitos de controle de chave de semicondutores de potência confiáveis ​​e eficazes, atualizar e atualizar o conhecimento antigo de especialistas experientes ou talvez arranhar as caixas de memória dos leitores pelo menos em algum lugar.

Ficarei muito feliz com qualquer um desses casos.

Neste artigo, tentarei descrever as perguntas mais comuns sobre a escolha de resistores de porta para dispositivos eletrônicos de potência. Baseia-se no conhecimento adquirido por mim de várias publicações, apnotes de TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments, bem como de práticas modestas. Vale ressaltar que essas informações não fornecem recomendações diretamente universais para cada chave de poder. No entanto, é possível analisar quais suposições podem ser importantes e que influência elas podem ter na escolha de resistores de porta para transistores de potência discretos, bem como para módulos de potência.

O básico

O resistor de porta está localizado no circuito entre o acionador do transistor de potência e a porta do próprio transistor, conforme mostrado na imagem no cabeçalho do artigo.

A chave de campo aberto ou fechado (IGBT / MOSFET) depende da tensão aplicada ao portão. Uma mudança nessa tensão carrega ou descarrega a capacitância do gate do dispositivo de energia, que consiste nas capacidades do coletor de gate $$$C_ {gc}$ e emissor do obturador $$$C_ {ge}$ e uma pequena capacidade do próprio obturador. A carga das capacidades de entrada da tecla o ligará (corrente $$$I_ {g.chrg}$ ) e a descarga será desligada (atual $$$I_ {g.dischrg}$ )



O resistor neste circuito limita a corrente de carga / descarga das capacidades de entrada; além disso, um resistor selecionado corretamente não permitirá que a chave se abra espontaneamente, o que às vezes pode acontecer, devido a uma rápida mudança de tensão nos terminais de energia da chave, por exemplo, isso pode acontecer quando a ponte adjacente tem topologia de meia ponte a chave é aberta. Nesse caso, a capacidade $$$C_ {ge}$ A corrente que flui através do resistor do portão é recarregada e causa uma queda de tensão, o que pode abrir a chave. Além disso, o limiar de abertura principal geralmente cai significativamente com o aumento da temperatura do cristal semicondutor.

O que você precisa saber e como escolher o resistor "certo"

1. Corrente máxima de carga / descarga do motorista

Qualquer microcircuito de driver possui um parâmetro como corrente de saída máxima. Se a corrente do gate ao abrir / fechar a chave exceder a corrente máxima de saída, o driver poderá falhar; portanto, nesse caso, o resistor do gate limitará a corrente de saída do driver.

Você pode criar um modelo de circuito equivalente, a partir do qual calcular o valor requerido do resistor:



Seguindo inferências simples, podemos obter fórmulas para calcular a corrente do driver e escolher um resistor de porta para não exceder os parâmetros máximos permitidos do driver:

$$

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

$$

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

2. Dissipação de energia

Além disso, uma das funções importantes do resistor de porta é dissipar a potência do estágio de saída do microcircuito do driver. De acordo com o modelo acima, a dissipação de energia pode ser calculada usando as seguintes 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 $$$Q_g$ - a carga do obturador da tecla, e $$$f_ {sw}$ - frequência de comutação.
Depois de calcular e selecionar um resistor, é importante observar a seguinte condição:

$$

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

onde $$$P_ {drv}$ - consumo próprio motorista.

Ainda existe uma pequena observação: na maioria das planilhas de dados, as teclas indicam a carga do obturador sob certas condições, por exemplo, com uma tensão de controle do obturador de + 15V ... -15V, se o seu circuito tiver uma tensão de controle diferente, por exemplo, + 15V ... 0V ou +15 ... -8V, basta determinar com precisão a carga do obturador para ajudar nos seguintes relacionamentos:

$$

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

$$

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

3. Velocidade de ativação e compatibilidade eletromagnética

Vamos considerar as perdas de comutação em função da resistência do resistor de porta. Vou pegar a chave que usei recentemente em meu pequeno projeto - IKW40N120 dos favoritos da Infineon:



Como você pode ver, à medida que a resistência do obturador aumenta, a velocidade de comutação diminui e as perdas de comutação aumentam. Consequentemente, isso afetará a eficiência do sistema como um todo. Pelo contrário, se você aplicar uma menor resistência ao obturador, a comutação se tornará mais rápida e as perdas serão reduzidas, mas o ruído causado pelo rápido aumento da corrente e da tensão aumentará, o que pode ser crítico quando você precisar atender aos requisitos de compatibilidade eletromagnética, portanto, escolha a resistência do obturador com muito cuidado .

4. A mesma inclusão "espúria"

No começo, quando escrevi sobre as funções do resistor de portas, mencionei a possibilidade de a chave ser ligada espontaneamente. Para impedir que isso aconteça, você pode calcular a tensão que pode aparecer no portão do transistor, olhar para a imagem abaixo e escrever duas pequenas fórmulas:

$$

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

$$

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

E não esqueça que a tensão de abertura da chave depende fortemente da temperatura do cristal, e isso também precisa ser levado em consideração.

Conclusão

Agora, temos fórmulas para a seleção ideal (até certo ponto) à primeira vista de um elemento tão simples do circuito de potência como um resistor de porta.

É possível que você não tenha encontrado nada de novo aqui, mas espero que pelo menos alguém dessa nota seja útil.

Além disso, para ampliar meus horizontes, inclusive na área de gerenciamento de chaves de poder, recomendo que você dedique uma ou duas horas por semana à leitura de todos os tipos de artigos e anotações de fabricantes eminentes de eletrônica de potência, especialmente sobre o uso de chips de driver. Tenho certeza que você encontrará muitas coisas interessantes por lá. Para começar e me aprofundar neste tópico, sugiro este .

Obrigado pela leitura!