Резистор в цепи затвора или как делать правильно / Habr
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
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:
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:
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 и транзистор в чём между ними разница?
Резистор только пассивно сопротивляется (resistance -сопротивление) току, уменьшает величину большого входного сигнала (напряжения) , не преобразуя его формы. Транзистор — сложное устройство, позволяющий усилить слабый сигнал на входе почти до величины напряжения питающего схему (либо усилить слабый ток до большого) . Транзистор может использоваться как реле, переключатель (в триггерах) . Транзистор — прибор с нелинейной характеристикой, но в некоторых режимах часть его характеристики является линейной, и транзистор тогда может использоваться как линейный (пропорциональный) усилитель сигнала.
Резистор-увеличивает сопротивление, насколько помню
у транзистор на одну ножку больше — вот и вся разница <a rel=»nofollow» href=»https://yandex.ru/images/search?text=резистор» target=»_blank»>https://yandex.ru/images/search?text=резистор</a> <a rel=»nofollow» href=»https://yandex.ru/images/search?text=транзистор&_=1457335054727″ target=»_blank»>https://yandex.ru/images/search?text=транзистор&_=1457335054727</a> ладно, без шуток. резистор — это просто сопротивление. Просто материал, который слабо проводит ток ( сопротивление) — оно бывает разным. от 0,1 Ом до сотен ГОм Принцип действия — ослабление тока. Закон Ома в помощь А транзистор — управляет током, т. е. малый ток (сигнал) управляет большим током (питанием) вот и все. Остальное спросишь у гуголя или Вики Педии
Да ты офигел наверное. Сравнил кусок проволоки или угля с активным усилительным элементом. Ещё бы спросил чем отличается ёж от солнца. Одумайся!
резистор для сопротивления, транзистор прерывает ток, делает его переменным
резистор кругленький с двумя ножками, транзистор квадратненький с тремя ножками.
Наплюй и разотри, раз не помнишь, тебе это и не надо.
у резистора постоянное сопротивление. а у транзистора переменное.
резистор-пассивный элемент электрических цепей транзистор-позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи, используется для усиления, порождения и преобразования электрических сигналов
Резистор обладает постоянным сопротивлением, а транзистор может менять свое сопротивление
Молоко и котлета — есть разница?
Объясняю популярно — для незнающих людей. Резистор 0 как дверь с тугой пружиной. Толкаешь — сипротивляется. Транзистор — как в старых вестернах — пистолет и динамит. Сигнал — ПУЛЯ — летит в динамит, который взрывается УСИЛИВАЯ эффект от попадания пули
неслушайте никого разница только в названии и точка смело заменяйте транзисторы резисторами переменными у них число ножек одинаковое
Основное отличие в том, что резистор — линейный элемент, а транзистор — НЕлинейный.
читал — не угадал ни одной буквы
чем отличается транзистор от резистора?
в принцепе ничем транзистор это управляемый резистор их существует несколько типов но лучше спросить у преподавателя
видом, параметрами, назначением.. . корпус резистора чаще окрашеный цилиндр с 2 выводами …транзистора либо чёрный пластиковый, либо металлический с 3-4 выводами (мощные имеют два вывода, а третий сам корпус).. . транзистор дороже.. . 🙂 если воткнуть в розетку… то транзистор точно бахнет… а резистор, исли номинал выше 100 килоом, нет.. . резистор для любого тока, напряжения… транзистор для постоянного.. . (резистор неполярный прибор… а транзистор полярный… ) резистор имеет постоянные значения, характеристики… транзистор управляемые.. . у резистора выводы равносильны… у транзистора это строго функциональные — База, Эммитер, Коллектор.. . либо Сток, Исток, Затвор, Подложка.. . в эл. аппарате резисторов больше чем транзисторов… в в микросхемах (внутри) меньше…
Ногами. Trans-(re)-sictor: преобразователь сопротивления. Resictor — сопротивление. Отличаются областью применения.
Давно не слышал более глупого вопроса
Расчет ограничительного резистора на затворе MOSFET: elchupanibrei — LiveJournal
UDP: Тема оказалась слишком тяжела для мозга. В статье присутствуют 100500 ошибок. Более менее приличное объяснение дал в комментариях Валилий. Заметку удалять не буду, пусть будет как пример мой глупости.Недавно в сообществе «Рожденный с паяльником» проскальзывала тема про управление полевиком с помощью ШИМ-а. Автору дали много практических советов и ноль теории. Так совпало я недавно интересовался этим вопрос и кое-что нарыл.
Правильное управления любым полевиком — это переключение из полность закрытого в полностью открытое состояние за самое короткое время. Обычный MOSFET нельзя нормально управлять с помощью 3в/5в логики. Он просто до конца не откроется и будет сильно греться. Для решения этой проблемы применяют драйвер. Например IR2117. На eBay просят от $0.99 за две штуки. Второй способ использовать Logic-Level Gate Drive MOSFET. Такие полевики полностью открываются от 3в/5в. Недостаток — высокая емкость затвора. Типичный представитель IRLZ44N. Два раза заказывал на eBay и кажды раз получал подделку. Теперь немного скучной теории.
упрощенная схема включения MOSFET
Скоростные характеристики полевого транзистора определяются тем, насколько быстро меняются напряжения на 3-х конденсаторах у модели. Емкости между затвор-исток Cgs и затвор-сток Cgd зависят от физических размеров кристала. Емкость между сток-исток Cds зависит от паразитной емкости диода. Cgs стабильна в большом диапазоне токов и напряжений. Cgd не линейна и зависит от напряжения между питанием и стоком. Cds тоже не линейна и зависит от напряжения между питанием и затвором.
модель полевого транзистора
Открываем IRLZ44N datasheet на странице 4, график 5 — зависимость напряжения затвора и емкости затвора. Самый интересный параметр — суммарная емкость затвора Ciss = Cgs + Cgd.
зависимость напряжения через затвор от емкости затвора
У ESP8266 цифровые порты выдают 3.3в. При напряжении на затворе (Vgs) 3.2в, его емкость Ciss = 2100pF. Вот так процесс заряда Ciss выглядит на графике:
процесс заряда затвора сферического MOSFET в вакууме
процесс заряда затвора IRLZ44N
Время от нуля до t1 называется turn-on delay, потому что транзистор все еще закрыт. Напряжения Vth называется Gate Threshold Voltage и обязательно указывается в datasheet, смотрите таблицу Electrical Characteristics. Ток через сток (D) начинает линейно увеличиваться до максимума с t1 до t2. За этот время транзистор успевает полностью открыться, напряжение на стоке (D) больше не растет. Но есть нюанс. Дальнейшее увеличение заряда на затворе Qgd, в промежуток времени t2 — t3, уменьшает внутренне сопротивление перехода сток-исток до паспортного значения Rds(on). Это феномен называют эффектом Миллера.
Ну а теперь как я рассчитываю Rgate. В большинстве случаев при расчете Rgate напряжение на затворе (G) не является главным. Самый важный параметр — это время за которое напряжение на затворе полностью откроет/закроет транзистор. Пусть наш Rgate = 300Ohm и на нем будет падать 0.1в, тогда напряжении на затворе Vgs = 3.2в.
Заряд затвора:
Qiss = Ciss * Vgs = 2100pF * 3.2v = 6.73nC
Скрость нарастания:
S = Rgate * Qiss = 300Ohm * 6.73nC = 0.002mV*sec
Время на открытие или закрытие транзистора:
t=S / Vgs = 0.002mV*sec * 3.2v = 0.63uSec
Период — это открытие + закрытие:
T = t + t = ;0.63uSec + 0.63uSec = 1.26uSec
Максимальная частота переключения:
F < 1 / T = 1 / 1.26uSec = 793.7KHz
Ток через затвор (G) и цифровой выход ESP8266:
I = Qiss / t = 10.67mA
Максимальный выходной ток GPIO у ESP8266 12.0mA
10.67mA < 12.0mA
Не пыхнет.
UDP1: Выбор Vgs = 3.2в для IRLZ44N не есть хорошо, см. график «процесс заряда затвора IRLZ44N». Напряжение на грани открытия-закрытия. Обычно Vgs для IRLZ44N выбирают минимум 5в или выше помехи. Для 3в/5в логики хорошо подходит IRL3705N. У него полное открытие — это прямая в районе 3.3в.
UDP2: Чтоб транзистор случайно не открылся от помехи пока GPIO закрыт, затвор — исток (G) (S) шунтируют резистором R2
