Хабрахабр

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.

Она базируется на знаниях, почерпнутых мной из разной литературы, апноутов от TOSHIBA, Infineon, Texas Instruments а также из скромной практики. Любому из этих случаев я буду очень рад.
В этой заметке я попробую описать наиболее распространенные вопросы выбора затворных резисторов для силовых электронных устройств. 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. Стоит заметить, что эта информация не дает прямо универсальных рекомендаций для каждого силового ключа.

Основы

Затворный резистор находиться в цепи между драйвером силового транзистора и затвором самого транзистора, как показано на изображении в шапке статьи.

Изменение этого напряжения заряжает или разряжает затворные емкости силового устройства, которые состоят из емкостей затвора-коллектора $C_$ и затвора-эмиттера $C_{ge}$ и небольшой емкости самого затвора. Открыт или закрыт полевой ключ (IGBT/MOSFET) зависит от приложенного к затвору напряжения. Заряд входных емкостей ключа включит его (ток $I_{g.chrg}$), а разряд выключит (ток $I_{g.dischrg}$).

В таком случае емкость $C_{ge}$ перезаряжается и ток, протекающий через затворный резистор вызывает на нем падение напряжения, которое и может открыть ключ. 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. 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

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. Любая микросхема драйвера имеет такой параметр, как максимальный выходной ток.

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:

ON}+R_g},$" data-tex="display"/> <img src="https://habrastorage.org/getpro/habr/formulas/07b/c01/89d/07bc0189d847badd2f7f170d05a80e0f.svg" alt="$I_{g.chrg}=\frac{V_{CC}-V_{EE}}{R_{drv.

OFF}+R_g}.$" data-tex="display"/> <img src="https://habrastorage.org/getpro/habr/formulas/ec8/d75/a9c/ec8d75a9cac6d39871dc9c1a893a830f.svg" alt="$I_{g.dischrg}=\frac{V_{CC}-V_{EE}}{R_{drv.

2. Рассеиваемая мощность

В соответствии с моделью выше, рассеиваемую мощность можно посчитать с помощью следующих формул:
Также одна из важных функций затворного резистора — рассеивать мощность выходного каскада микросхемы драйвера.

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

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

Тут $Q_g$ — заряд затвора ключа, а $f_{sw}$ — частота коммутации.
После расчета и подбора резистора важно соблюдать следующее условие:

MAX},$" data-tex="display"/> <img src="https://habrastorage.org/getpro/habr/formulas/efc/945/faa/efc945faa9e1b0f82e12a9a6677cf54a.svg" alt="$P_{g.chrg}+P_{g.dischrg}+P_{drv}< P_{drv.

где $P_{drv}$ — собственное потребление драйвера.

0В, или же +15…-8В, то достаточно точно определить заряд затвора помогут следующие соотношения:
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...

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

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

3. Скорость включения и электромагнитная совместимость

Я возьму ключ, который я недавно использовал в своем небольшом проекте — IKW40N120 от любимых Infineon: Давайте рассмотрим потери на переключение, как функцию от сопротивления затворного резистора.

Соответственно это повлияет на эффективность системы в целом. Как можно заметить, при увеличении сопротивления затвора, скорость переключения уменьшается и потери на переключения растут. 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.

То самое “паразитное” включение 4.

Чтобы такого не случилось, можно рассчитать напряжение, которое может появиться на затворе транзистора, посмотрим на изображение ниже и запишем две небольшие формулы: В начале, когда я писал о функциях затворного резистора, я упоминал о возможности ключа самопроизвольно включиться.

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

OFF}).$" data-tex="display"/> <img src="https://habrastorage.org/getpro/habr/formulas/7f3/9f3/7cb/7f39f37cb2172490b7511de1b5591da3.svg" alt="$U_g=I_{dischrg} \cdot (R_g+R_{drv.

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.

Уверен, найдёте там очень много интересностей. 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. Для старта, и чтобы углубится в рассмотренную тему предлагаю вот эту.

Спасибо за прочтение!

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть