Как рассчитать резистор на затвор полевого транзистора
| Текущее время: Вт янв 09, 2024 19:52:08 |
Часовой пояс: UTC + 3 часа
Запрошенной темы не существует.
Часовой пояс: UTC + 3 часа
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group
Русская поддержка phpBB
Extended by Karma MOD © 2007—2012 m157y
Extended by Topic Tags MOD © 2012 m157y
Работоспособность сайта проверена в браузерах:
IE8.0, Opera 9.0, Netscape Navigator 7.0, Mozilla Firefox 5.0
Адаптирован для работы при разрешениях экрана от 1280х1024 и выше.
При меньших разрешениях возможно появление горизонтальной прокрутки.
По всем вопросам обращайтесь к Коту: kot@radiokot.ru
©2005-2024
Как рассчитать резистор на затвор полевого транзистора
Проектируя силовую часть импульсного преобразователя или подобного устройства, где в качестве силового ключа будет выступать мощный IGBT или MOSFET транзистор, важно правильно рассчитать цепь управления затвором, особенно если речь идет об управлении полупроводниковым ключом на высокой скорости, характерной для рабочих частот от сотен килогерц до 1 МГц.
Давайте рассмотрим методику такого расчета, а для примера возьмем не утрачивающий популярности на протяжении без малого 20 лет полевой транзистор IRFP460, обладающий, как известно, довольно «тяжелым» затвором.
Допустим, нам он нужен в качестве ключа нижнего уровня (с управлением от уровня земли), который будет управляться при помощи специализированного драйвера UCC37322, так же довольно известного и по сей день востребованного по своему прямому назначению. А напряжение управления затвором примем равным 12 вольт.
Пример расчета для рабочей частоты 1 МГц
Пусть рабочая частота проектируемого устройства составляет ровно 1 МГц, а управляющие импульсы имеют скважность 2 (коэффициент заполнения DC = 0.5). Теоретически это значит, что и рабочая длительность импульса, то есть продолжительность состояния когда ключ полностью открыт, должна на каждом цикле его работы составлять 500 нс.
Но на практике это время будет меньше, поскольку передний и задний фронты будут иметь не нулевую, а конечную длительность, обычно не более 100 нс. Это значит, что ключ будет полностью открыт в самом худшем случае на протяжении 300 нс, и здесь стоит задуматься над тем, а не уменьшить ли скважность… до 1,43, то есть может быть имеет смысл задать управляющим импульсам DC = 0,7. Однако это гипотетически худший вариант, так что на него пока опираться не станем.
На деле длительность фронтов непосредственно на затворе будет определяться возможностями драйвера и реальной емкостью затвора силового транзистора. Из документации на классический транзистор IRFP460 нам известна зависимость полного заряда, подаваемого на его затвор, от напряжения на затворе относительно истока.
Мы видим, что при 12 вольтах на затворе полный его электрический заряд находится в районе 160 нКл. Но здесь же понятно, что заряд этот накапливается емкостью затвора нелинейно, так как в районе 4-5 вольт находится так называемое плато Миллера, где на емкость затвора начинает действовать еще и емкость сток-затвор. Поэтому в самом начале общая емкость затвора минимальна и заряд накапливается затвором с наибольшей скоростью, затем заряжается динамическая емкость Миллера, и после этого заряд затвора нарастает опять линейно, но медленнее чем в самом начале.
Затворный резистор и реальный фронт при открытии
Итого, ток в процессе заряда затвора нарастает далеко не по экспоненте, значит имеет смысл просто ограничить этот ток сверху предельным значением для драйвера UCC37322 при помощи затворного резистора. Поскольку для данного драйвера максимальный пиковый ток по документации составляет 9 ампер, то при 12 вольтах питающего напряжения минимальное значение затворного резистора по Закону Ома получается 1,333 Ом. Принимаем стандартное 1,5 Ом.
Из документации на полевик IRFP460 известно, что при 7,5 вольтах между затвором и истоком, данный транзистор уже точно полностью открыт. Посчитаем усредненную емкость затвора, разделив заряд затвора при 7,5 вольтах на нем, на эти самые 7,5 вольт. Получим 110 нКл/7,5 = 14,5 нФ.
Эту емкость можно принять для оценки временных характеристик в переходном процессе заряда затвора от 12 вольтного драйвера через принятый нами затворный резистор номиналом 1,5 Ом. 7,5 вольт — это практически 63% от 12. Получается произведение R*C – есть как раз время фронта в процессе открытия нашего полевика — 22 нс. Неплохо. Резистор на 1,5 Ом в качестве затворного подходит.
Теперь выясним мощность необходимого затворного резистора. На данном резисторе при открытии и при закрытии транзистора будет рассеиваться энергия, равная энергии, накапливаемой в конденсаторе, образованным емкостью затвор — исток. То есть 14,5 нФ при 12 вольтах. Это CU 2 /2 = 1,044 мкДж при заряде затвора и столько же при его разряде, и так 1000000 раз в секунду (т. к. рабочая частота у нас по условию 1 МГц). Итого 2 Вт.
Выбираем резистор 1,5 Ом на 2 Вт в качестве затворного. Можно взять 2 штуки по 3 Ома в параллель, чтобы не сильно грелись. Кстати, из данного расчета получается, что и мощность, расходуемая на управление полевиком составит 2 Вт.
Шунтирующий конденсатор драйвера
Теперь нужно определиться с шунтирующим конденсатором. Данный конденсатор необходим для быстрой отдачи заряда через драйвер — на затвор полевика. Если в качестве такового использовать электролитический конденсатор большой емкости, то он создаст для импульсов тока столь высокой частоты малое сопротивление, через него будет течь слишком большой импульсный ток, что недопустимо для электролита. Поэтому параллельно электролиту всегда ставят пленочный конденсатор небольшой емкости. Он сможет легко и быстро отдавать заряд, перезаряжаться, при этом не будет перегреваться.
Известно, что I = C*(U1-U2)/t. Значит C = It/(U1-U2). U1-U2 = 0,12 В, t = 66 нс, I = 4,5 А. Отсюда находим что Сmin = 2,5 мкф. Примем емкость пленочного шунтирующего конденсатора равной 3 мкф. Параллельно ему уже можно поставить танталовый или обычный электролитический на значительно большую емкость, чтобы драйверу было комфортнее работать.
Защита затвора полевика и выходного каскада драйвера диодами Шоттки
При высоких рабочих частотах неизбежны емкостные наводки на затвор. Поэтому затвор, а также выход драйвера стоит защитить диодами Шоттки на предельное напряжение большее удвоенного напряжения питания драйвера.
Например 1N5822 – на максимальное обратное напряжение 40 вольт и ток 3А. Если напряжение на затворе в кокой-то момент превысит напряжение питания, заряд просто перетечет в шунтирующий конденсатор. В данных условиях напряжение на затворе не превысит выбранных для нашей схемы 12 вольт.
Ранее ЭлектроВести писали, что в Лас-Вегасе заработала крупнейшая выставка потребительской электроники CES 2019, а вместе с ней и украинский павильон — Ukraine Tech Pavilion. Об этом сообщила пресс-служба UVCA (Украинская ассоциация венчурного и частного капитала). С чем украинцы ездили в Лас-Вегас на крупнейшую выставку электроники.
Резистор в цепи затвора или как делать правильно
Всем доброго времени суток!
Эта небольшая статья возможно станет шпаргалкой для начинающих разработчиков, которые хотят проектировать надежные и эффективные схемы управления силовыми полупроводниковыми ключами, обновит и освежит старые знания опытных специалистов или может хотя бы где-то поцарапает закрома памяти читателей.
Любому из этих случаев я буду очень рад.
В этой заметке я попробую описать наиболее распространенные вопросы выбора затворных резисторов для силовых электронных устройств. Она базируется на знаниях, почерпнутых мной из разной литературы, апноутов от TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments а также из скромной практики. Стоит заметить, что эта информация не дает прямо универсальных рекомендаций для каждого силового ключа. Тем не менее, можно проанализировать какие предположения могут быть важны и какое влияние они могут оказать на выбор резисторов затвора для дискретных силовых транзисторов, а также для силовых модулей.
Основы
Затворный резистор расположен в цепи между драйвером силового транзистора и затвором самого транзистора, как показано на изображении в шапке статьи.
Открыт или закрыт полевой ключ (IGBT/MOSFET) зависит от приложенного к затвору напряжения. Изменение этого напряжения заряжает или разряжает затворные емкости силового устройства, которые состоят из емкостей затвора-коллектора и затвора-эмиттера и небольшой емкости самого затвора. Заряд входных емкостей ключа включит его (ток ), а разряд выключит (ток ).
Резистор в данной цепи ограничивает ток заряда/разряда входных емкостей, помимо этого, правильно подобранный резистор не даст ключу самопроизвольно открываться, что иногда может случиться, из-за быстрого изменения напряжения на силовых выводах ключа например, такое может случиться, когда в полумостовой топологии соседний ключ открывается. В таком случае емкость перезаряжается и ток, протекающий через затворный резистор вызывает на нем падение напряжения, которое и может открыть ключ. К тому же порог открывания ключа часто сильно опускается при росте температуры кристалла полупроводника.
Что нужно знать и как выбрать “правильный” резистор
1. Максимальный ток заряда/разряда выхода драйвера
Любая микросхема драйвера имеет такой параметр, как максимальный выходной ток. Если ток затвора при открытии/закрытии ключа превысит значение максимального выходного тока, то драйвер может выйти из строя, поэтому, в данном случае, затворный резистор ограничит выходной ток драйвера.
Можно составить эквивалентную модель цепи, по которой и рассчитать необходимое значение резистора:
Следуя несложным умозаключениям, можем получить формулы для расчета тока драйвера, и подобрать резистор затвора таким, чтобы не превысить максимально допустимые параметры драйвера:
2. Рассеиваемая мощность
Также одна из важных функций затворного резистора — рассеивать мощность выходного каскада микросхемы драйвера. В соответствии с моделью выше, рассеиваемую мощность можно посчитать с помощью следующих формул:
Тут — заряд затвора ключа, а — частота коммутации.
После расчета и подбора резистора важно соблюдать следующее условие:
где — собственное потребление драйвера.
Тут еще есть небольшое примечание, в большинстве даташитов на ключи указывают заряд затвора при определенных условиях, например при напряжении управления затвором +15В…-15В, если же в Вашей схеме другое напряжение управления, например +15В. 0В, или же +15…-8В, то достаточно точно определить заряд затвора помогут следующие соотношения:
3. Скорость включения и электромагнитная совместимость
Давайте рассмотрим потери на переключение, как функцию от сопротивления затворного резистора. Я возьму ключ, который я недавно использовал в своем небольшом проекте — IKW40N120 от любимых Infineon:
Как можно заметить, при увеличении сопротивления затвора, скорость переключения уменьшается и потери на переключения растут. Соответственно это повлияет на эффективность системы в целом. Напротив, если применять меньшее сопротивление затвора, переключение станет более быстрым и потери уменьшаться, но при этом шум, вызванный быстрым нарастанием тока и напряжения, будет увеличиваться, что может быть критично, когда нужно отвечать требованиям электромагнитной совместимости поэтому значение сопротивления затвора нужно выбирать очень аккуратно.
4. То самое “паразитное” включение
В начале, когда я писал о функциях затворного резистора, я упоминал о возможности ключа самопроизвольно включиться. Чтобы такого не случилось, можно рассчитать напряжение, которое может появиться на затворе транзистора, посмотрим на изображение ниже и запишем две небольшие формулы:
И не стоит забывать, что напряжение открытия ключа сильно зависит от температуры кристалла, и это тоже нужно учитывать.
Заключение
Теперь у нас есть формулы для оптимального (в какой-то степени) подбора с первого взгляда такого простого элемента силовой схемы, как затворный резистор.
Вполне возможно вы не нашли тут ничего нового, но я надеюсь, что хоть кому-то эта заметка окажется полезной.
Также для расширения кругозора в том числе в области управлении силовыми ключами очень советую выделять часик-два в неделю на прочтение всяких статей и апноутов от именитых производителей силовой электроники, в особенности о применении микросхем драйверов. Уверен, найдёте там очень много интересностей. Для старта, и чтобы углубится в рассмотренную тему предлагаю вот эту.
Спасибо за прочтение!
Резистор в цепи затвора или как делать правильно
Эта небольшая статья возможно станет шпаргалкой для начинающих разработчиков, которые хотят проектировать надежные и эффективные схемы управления силовыми полупроводниковыми ключами, обновит и освежит старые знания опытных специалистов или может хотя бы где-то поцарапает закрома памяти читателей.
Любому из этих случаев я буду очень рад.
В этой заметке я попробую описать наиболее распространенные вопросы выбора затворных резисторов для силовых электронных устройств. Она базируется на знаниях, почерпнутых мной из разной литературы, апноутов от TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments а также из скромной практики. Стоит заметить, что эта информация не дает прямо универсальных рекомендаций для каждого силового ключа. Тем не менее, можно проанализировать какие предположения могут быть важны и какое влияние они могут оказать на выбор резисторов затвора для дискретных силовых транзисторов, а также для силовых модулей.
Основы
Затворный резистор расположен в цепи между драйвером силового транзистора и затвором самого транзистора, как показано на изображении в шапке статьи.
Открыт или закрыт полевой ключ (IGBT/MOSFET) зависит от приложенного к затвору напряжения. Изменение этого напряжения заряжает или разряжает затворные емкости силового устройства, которые состоят из емкостей затвора-коллектора и затвора-эмиттера и небольшой емкости самого затвора. Заряд входных емкостей ключа включит его (ток ), а разряд выключит (ток ).
Резистор в данной цепи ограничивает ток заряда/разряда входных емкостей, помимо этого, правильно подобранный резистор не даст ключу самопроизвольно открываться, что иногда может случиться, из-за быстрого изменения напряжения на силовых выводах ключа например, такое может случиться, когда в полумостовой топологии соседний ключ открывается. В таком случае емкость перезаряжается и ток, протекающий через затворный резистор вызывает на нем падение напряжения, которое и может открыть ключ. К тому же порог открывания ключа часто сильно опускается при росте температуры кристалла полупроводника.
Что нужно знать и как выбрать “правильный” резистор
1. Максимальный ток заряда/разряда выхода драйвера
Любая микросхема драйвера имеет такой параметр, как максимальный выходной ток. Если ток затвора при открытии/закрытии ключа превысит значение максимального выходного тока, то драйвер может выйти из строя, поэтому, в данном случае, затворный резистор ограничит выходной ток драйвера.
Можно составить эквивалентную модель цепи, по которой и рассчитать необходимое значение резистора:
Следуя несложным умозаключениям, можем получить формулы для расчета тока драйвера, и подобрать резистор затвора таким, чтобы не превысить максимально допустимые параметры драйвера:
2. Рассеиваемая мощность
Также одна из важных функций затворного резистора — рассеивать мощность выходного каскада микросхемы драйвера. В соответствии с моделью выше, рассеиваемую мощность можно посчитать с помощью следующих формул:
Тут — заряд затвора ключа, а — частота коммутации.
После расчета и подбора резистора важно соблюдать следующее условие:
где — собственное потребление драйвера.
Тут еще есть небольшое примечание, в большинстве даташитов на ключи указывают заряд затвора при определенных условиях, например при напряжении управления затвором +15В…-15В, если же в Вашей схеме другое напряжение управления, например +15В. 0В, или же +15…-8В, то достаточно точно определить заряд затвора помогут следующие соотношения:
3. Скорость включения и электромагнитная совместимость
Давайте рассмотрим потери на переключение, как функцию от сопротивления затворного резистора. Я возьму ключ, который я недавно использовал в своем небольшом проекте — IKW40N120 от любимых Infineon:
Как можно заметить, при увеличении сопротивления затвора, скорость переключения уменьшается и потери на переключения растут. Соответственно это повлияет на эффективность системы в целом. Напротив, если применять меньшее сопротивление затвора, переключение станет более быстрым и потери уменьшаться, но при этом шум, вызванный быстрым нарастанием тока и напряжения, будет увеличиваться, что может быть критично, когда нужно отвечать требованиям электромагнитной совместимости поэтому значение сопротивления затвора нужно выбирать очень аккуратно.
4. То самое “паразитное” включение
В начале, когда я писал о функциях затворного резистора, я упоминал о возможности ключа самопроизвольно включиться. Чтобы такого не случилось, можно рассчитать напряжение, которое может появиться на затворе транзистора, посмотрим на изображение ниже и запишем две небольшие формулы:
И не стоит забывать, что напряжение открытия ключа сильно зависит от температуры кристалла, и это тоже нужно учитывать.
Заключение
Теперь у нас есть формулы для оптимального (в какой-то степени) подбора с первого взгляда такого простого элемента силовой схемы, как затворный резистор.
Вполне возможно вы не нашли тут ничего нового, но я надеюсь, что хоть кому-то эта заметка окажется полезной.
Также для расширения кругозора в том числе в области управлении силовыми ключами очень советую выделять часик-два в неделю на прочтение всяких статей и апноутов от именитых производителей силовой электроники, в особенности о применении микросхем драйверов. Уверен, найдёте там очень много интересностей. Для старта, и чтобы углубится в рассмотренную тему предлагаю вот эту.
Спасибо за прочтение!
- силовая электроника
- электроника
- разработка электроники
- преобразовательная техника
- Схемотехника
- Производство и разработка электроники
- Электроника для начинающих