Pourquoi (pas) mettre une résistance sur la porte FET?

En pensant aux moyens de protéger un MOSFET, une idée était de mettre une résistance extrêmement élevée devant la porte: L'idée étant que le courant n'est jamais censé traverser la porte, donc si un transitoire menaçait la porte, la résistance limiterait cela courant, empêchant peut-être le FET de brûler.

En fait, lors de mes recherches sur la protection MOSFET, je suis tombé sur ce produit intégralement protégé qui inclut dans ses fonctionnalités "résistance de grille série interne", comme indiqué sur son schéma:

Si cette idée est correcte, alors la question est: pourquoi ne pas toujours mettre une résistance mégaohm devant la grille de tout FET?

Ou existe-t-il une raison pratique pour laquelle une résistance de grille ne protégerait généralement pas le FET? Ou pourrait-il même avoir des effets négatifs sur les performances?

La source de grille est essentiellement un condensateur. Ainsi, avec cette résistance élevée, le chargement prendrait très longtemps. Le MOSFET ne s'allumera que lorsque le condensateur de grille est chargé au-dessus d'un certain niveau (la tension de seuil), vous aurez donc une commutation très lente.

La raison pour laquelle les pilotes de grille sont souvent utilisés est qu'ils sont capables de charger rapidement le condensateur de grille (souvent en utilisant un courant supérieur à 1A) afin que les temps de commutation puissent être minimisés.

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De grandes résistances sur la grille ralentissent la commutation du MOSFET. C'est OK lorsque vous utilisez le MOSFET comme interrupteur (ON-OFF) mais lorsque vous conduisez un moteur à une fréquence de 20 kHz et plus, la commutation doit être rapide pour minimiser les pertes de chaleur (une commutation plus rapide signifie moins de perte de puissance). Notez que la résistance que vous voyez à la porte n'est pas uniquement destinée à protéger le MOSFET ... elle protège également tout ce qui pilote le MOSFET (par exemple: un microcontrôleur). Un courant excessif peut précipiter et endommager la broche d'E / S.

Comme l'a dit Darko, le MOSFET est un condensateur lorsque vous le regardez du côté de la grille. La charge nécessaire pour que ce condensateur se charge complètement s'appelle la charge de la grille (vous pouvez la trouver dans la fiche technique). Une fois chargée, la résistance du MOSFET (RDS) diminue à son minimum. Vous pouvez donc comprendre qu'essayer de piloter cette broche sans résistance série signifie qu'un courant élevé sera absorbé / fourni par le pilote (identique au courant d'appel lors de la charge d'un condensateur).

$\Omega$

En fait, cela ralentit vraiment la commutation lorsque la charge de la porte est élevée, comme le temps de commutation minimum de 1,6 ms avec une charge de 15 V 1,5 A. Le temps de commutation asymétrique implique qu'ils peuvent en fait avoir une diode à travers la résistance pour accélérer le temps de «marche». La diode sera polarisée en inverse lors du serrage, comme expliqué ci-dessous.

Une résistance de grande valeur ne protégera probablement pas la porte de toute façon, c'est une panne permanente et des dommages d'isolation qui se produisent, pas comme une panne de diode. C'est pourquoi les diodes Zener ESD sont sur le fil de la grille, pour éviter une tension grille-source excessive.

Alors, pourquoi mettre une résistance là-dedans, vous demandez-vous? Eh bien, c'est pour que les autres zéners (surtensions) puissent faire leur travail. Imaginez le pire des cas et nous court-circuitons le fil de la grille vers la source, puis augmentons sadiquement la tension sur le drain (via une charge externe) en attendant la panne du DS. Lorsque le courant à travers les diodes zener dépasse certains mA, le MOSFET se met en marche et bloque la surtension.

Les MOSFET de puissance ne sont généralement pas très sensibles aux ESD de toute façon, en raison de la grande capacité de la grille. La porte tombe en panne à quelque chose comme 50V-100V, donc beaucoup d'énergie doit atteindre la porte. Les minuscules MOSFET tels que les MOSFET RF sont très sensibles aux ESD en comparaison. Cependant, le modèle typique du corps humain de l'ESD est suffisant pour endommager même une porte MOSFET de puissance modérément grande.

Il y a une autre raison de placer une résistance série devant une porte MOSFET - pour ralentir délibérément la commutation. Cela permet de minimiser les vitesses de balayage dans le circuit et peut donc réduire les émissions conduites et rayonnées, ce qui peut être une technique CEM utile.

Cependant, pour être clair, ce n'est absolument pas ce pour quoi la résistance illustrée est incluse - comme d'autres l'ont noté, c'est là pour garder les Zener de serrage dans la zone de fonctionnement sûre. Notez également que le ralentissement des fronts de commutation a des effets négatifs (l'augmentation des pertes thermiques au niveau des fronts de commutation étant un) sur les performances du circuit - en tant que telle, toute utilisation de cette technique est un compromis.

Une résistance série de grille peut être utilisée si une diode zener est également utilisée pour limiter la tension de source de grille à moins que la valeur Vgs du MOSFET. La valeur nominale typique est de 20 V et un zener de 10 V ou 15 V serait utilisé.

Pour une mise sous / hors tension rapide, un petit condensateur peut être placé en parallèle avec la résistance. En supposant que le condensateur est initialement déchargé. Lorsque vous allumez le courant FET traversera le condensateur et il y aura une division de charge presque instantanée entre le condensateur et la capacité d'entrée du FET. Le FET s'allumera instantanément. Votre vitesse d'activation sera presque identique à ce qui se passerait si le condensateur était court pendant le bord de la forme d'onde d'entraînement de la porte. Le même effet fonctionne à la désactivation.

La division de frais de porte fonctionne comme suit. En supposant que la tension de grille et la tension aux bornes du condensateur sont initialement de 0, puis à la mise sous

tension ... V_c = Qg / C_drive
Vgs = V_drive - V_c_drive

V_drive est la tension de commande de grille.
Qg est la charge de grille totale répertoriée dans la fiche technique FET pour le Vgs = V_drive donné
C_drive est le condensateur en parallèle avec la résistance d'attaque.
Vgs est la tension source de la porte FET.
V_c_drive est la tension aux bornes de C_drive après le commutateur.

Par exemple, si vous pilotez le FET à travers un condensateur 10nF avec un signal de commande 10V, et que la charge totale de la porte était de 1nC à Vgs = 10V, alors le condensateur se chargerait à ...

V_c_drive = 1nC / 10nF = 0,1V
Vgs = 10V - 0,1 V = 9,9 V

Notez que c'est bien sûr une approximation puisque Vgs n'est pas 10V, donc Qg est en fait légèrement inférieur à ce que l'on suppose.

L'effet de la résistance de grille parallèle est de toujours avoir tendance à faire passer la tension aux bornes du condensateur à 0 V. Ainsi, après le commutateur, la tension du condensateur passera lentement de 0,1 V à 0 V au rythme de la constante de temps R * C. Dans un cycle de désactivation, la charge se diviserait dans l'autre sens, la tension finale du condensateur serait donc de -0,1 V lorsqu'elle est mesurée avec la même orientation que celle utilisée lors de la mise sous tension.

Notez que vous n'avez pas besoin d'attendre que le condensateur se décharge avant de couper le FET. Si vous allumez puis éteignez le FET tout de suite, la division de charge lors de la désactivation annulerait exactement ce qui s'est passé lors de la mise sous tension et la tension du condensateur serait proche de 0 à la fin du cycle.

La valeur du condensateur doit être suffisamment grande pour que la charge de grille totale du transistor à effet de champ à la tension de commande souhaitée ne donne qu'une petite tension de condensateur, mais suffisamment petite pour ne pas laisser passer beaucoup d'énergie transitoire. En règle générale, vous devez avoir C_drive> Qg / 1V.

La quantité de résistance que vous pouvez utiliser dépend du pire courant de fuite de grille dans la fiche technique du MOSFET ainsi que de votre fuite Zener. Le point important étant que la durée totale de fuite de la résistance série doit être bien inférieure à la tension de seuil MOSFET sur température.

Par exemple, si votre tension de seuil FET est de 3 V, alors R * le courant de fuite doit être bien inférieur à 3 V. Le but est d'empêcher une fuite de submerger la résistance et de créer une polarisation CC qui maintient le FET activé ou désactivé au mauvais moment.

La plupart des FET répertorient une fuite de grille inférieure à 1uA max dans leur fiche technique. La plupart des zéners fuient plusieurs uA et la fuite augmente de façon exponentielle avec la température. Le zener représente donc la majeure partie des fuites de la porte. Donc, 100K ou 10K est probablement plus approprié que 1MEG à mon avis.