Comments 69
Спасибо статья полезная.

Было бы неплохо иметь еще ссылку с online калькулятором для этой схемы и типовым примером использования в практическом примере.
Спасибо Вам, приму во внимание, возможно сделаю для начала програмку например в MathCAD с примером, а потом и Online

Добрый день. Раз общественность просит схем и расчетов (я так полагаю и некая наглядность подразумевается, как форма для лучшего восприятия) позволю себе дать автору непрошеный совет.


Вот (особенно если MathCad вам не чужд) полезная онлайн штуковина (в простонародье Smath Studio), а уж если вы воспользуетесь вот этим замечательным инструментом, то последующие статьи, а может и эта (если не лень немного доработать) станут весьма внушительнее и интерактивней.


За статью спасибо.

Спасибо!
Вы могли видеть в одном из первых комментариев, что я писал о прораммке в MathCAD, постараюсь сделать рсчет, возможно даже онлайн калькулятор.
А вот по поводу симулятора, возможно есть смысл поучиться работать в нем, позже обязательно ознакомлюсь, еще раз спасибо!
На всех картинках кроме первой паразитные ёмкости коллектора и эмиттера местами перепутали.
Это IGBT, у него выводы называются «затвор», «коллектор», и «эмиттер».
Также одна из важных функций затворного резистора — рассеивать мощность выходного каскада микросхемы драйвера.
А нет ли здесь ошибки в расчётной формуле, поскольку в ней эта мощность привязывается к частоте коммутации?
До этой статьи я считал, что мощность, генерируемая выходным каскадом драйвера, попадает в цепь, состоящую почти из одних только реактивностей. Состоящие из них паразитные колебательные контуры начинают «звенеть», и упомянутый затворный резистор применяют, чтобы сбавить уровень этих «звонов» до величины, при которой они ни на что не влияют. Резонансная частота этих контуров весьма высока, поскольку индуктивности печатных дорожек, выводов и прочих монтажных элементов очень малы, и она на порядки выше, чем типичные значения частоты коммутации. Так какая же частота должна фигурировать в расчётах — точно известная коммутационная или трудноучитывамая частота паразитных резонансов?

И о практике. Лично я в не очень ответственных (скажем, макетных) схемах, при управлении мощными полевыми ключами от стандартной КМОП-логики, не применял эти резисторы, резонно (или не очень?) полагая, что их роль сыграет выходное сопротивление этой логики. Проблем вроде не возникало. Или эти резисторы нужны даже в этих случаях?
не применял эти резисторы
В момент открытия ключа, то есть в момент заряда емкости затвора, ток будет стремиться к бесконечности (ограничен будет только паразитными индуктивностями). Данная ситуация ни одному драйверу не понравится, так что как выше написали — резистор обязательно нужен.

С другой стороны видел много конструкций любительских, где были нарушены все правила и рекомендации и при этом они работали год… два… и ничего страшного. Поэтому в теории наверное можно их не ставить, если импульсный ток драйвера не более 2...4А. Хотя мне такая экономия не очень понятна, резистор стоит 10 копеек :))
Дело не в экономии копеек, а в том, что у драйвера есть своё Rвых, и можно счесть его достаточным для решения упомянутых в статье проблем. Во-первых, при этом не будет никакого роста тока до бесконечности, и во-вторых, та энергия, которая в исходной схеме грела резистор, теперь будет греть кристалл драйвера — ну и какая разница, если драйвер имеет достаточный теплоотвод?
есть своё Rвых
Которое примерно равно сопротивлению канала полевика комплементарной пары, что внутри драйвера. Не думаю, что десяток мОм будет когда достаточным.

при этом не будет никакого роста тока до бесконечности
Речь была о том, что будет стремиться. Например, HCPL3120 без какого либо ограничения могут выдавать в момент заряда/разряда около 10-12А (импульсный), что в несколько раз превышает значение из даташита, такое себе решение.
А зачем лишний раз греть драйвер, лучше эту энергию погасить на резисторе, там всё таки площадь рассеивания будет больше, да и зачем такие броски тока на шине питания?
… да и зачем такие броски тока на шине питания?

FTGJ — там они будут вне зависимости от места рассеяния энергии.
Частота коммутации здесь именно потому, что как раз с такой частотой происходит перезарядка входных емкостей.

Действительно «звон» в цепях затвора тоже негативное и не совсем редкое явление, особенно, когда параллельно включено несколько ключей. Но в большинстве случаев его относительно легко побороть, если правильно спроектировать топологию ПП, и тот же резистор разместить поближе к затвору. Тут уже нужно рассматривать более конкретные случаи, не сказал бы, что это общая проблема.

Что касается последнего, я постоянно их применяю, т.к. в основном имею дело с ответственными силовыми схемами, которые должны работать очень долго и пропускать сквозь себя большие мощности, поэтому стараюсь учитывать все мелочи. Плюс смотрите пункт об ограничении тока драйвера, если нагрузить логику на достаточно «тяжелый» ключ (у которого большая входная емкость), то ток он будет потреблять очень солидный, и вряд ли выходу логической схемы будет легко
Я вас понял так, что этот расчёт даёт общую мощность, выделяемую выходной цепью драйвера, которую упомянутый резистор должен так или иначе рассеять в тепло — другого поглотителя энергии в этой цепи нет. А уж через гашение «звонов» или другой физический механизм — неважно.
Но (ещё раз повторю) в этой цепи всегда наличествует Rвых драйвера, и можно предположить, что его будет достаточно. Пример любительских схем, работающих без упомянутого резистора, показывает, что это возможно.

Мой совет — почитайте несколько даташитов хороших на драйвера, далеко не у всех достаточное выходное сопротивление, плюс прикиньте мощность и как корпус драйвера сможет её рассеять

Пример любительских схем
Тут на хабре любители и лифтами грузовыми управляют с ардуины нано, это далеко не показатель.

Как выше писал — у любителей может работать из-за их рукожопия. В 99% конструкций дорожки будут 0.2...0.4 мм и достаточно большой длины (любители не оптимизируют трассировку) и вот эти дорожки своей паразитной индуктивностью большой как раз несколько ограничивают ток импульсный, поэтому проблемы выражаются в нагреве, а не бабахе.
Профессионалы скорее предпочитают ставить резисторы, чем не ставить. Вот, например, схема из типичного ИБП:
image
Помимо основной функции есть и еще один неоценимый плюс: когда силовые транзисторы таки взрываются, они забирают с собой затворные резисторы, но дают шанс выжить драйверам.
Есть несколько задач, которые решает затворный резистор Rg.
Во-первых, как уже Автор и NordicEnergy сказал, это ограничение тока заряда, тк емкость затвора для каскада управления, по сути, выглядит как К.З., ток ее перезарядки может превысить максимально допустимый. Например для IR2153 выходной ток нарастания/спада 0.2/0.4А. Исходя из этих данных и рассчитывается и резистор. Зачастую в обратную сторону ставят диод и еще один резистор, так-как ток спада можно сделать больше.

Второе, при использовании драйвера верхнего/нижнего плеча он спасает от такого неприятного явления как защёлкивание выходных силовых каскадов микросхемы (не IGBT транзисторов). Из-за специфики технологии изготовления выходных комплиментарных каскадов кроме управляющих транзисторов P и N в структуре кристалла имеются паразитные биполярные транзисторы, образуя собой тиристорную p-n-p-n-структуру. Теперь важно вспомнить про эффект Миллера. Если транзистор коммутируется слишком быстро, а сопротивление цепи управления велико, напряжение на затворе может «подскакивать» на значительную величину. Затвор, присоединенный к выводу драйвера, прикладывает это наведенное напряжение, на тиристорную структуру. Если приложенное напряжение, окажется выше напряжения питания управляющего каскада всего на 0,3В (величина напряжения «база-эмитер» биполярного транзистора в открытом состоянии), наступает эффект «опрокидывания» паразитной тиристорной структуры, фактически выход питания замыкается на «общий» схемы. Защелка не может восстановиться автоматически, пока не будет снято питание с микросхемы, и выходной каскад драйвера выгорает. Такая-же ситуация и с другим плечом, только потенциал соответственно -0.3В.
Обычно борются с этим эффектом пассивными компонентами: снабберами и стабилитронами. Второй же способ — подобрать правильное Rg, чтобы наведенные токи замыкались через Cgd и Cgs не затекая в микросхему управления. Величина Rg не должна быть слишком большой, чтобы делитель напряжения, образованный Cgd и Cgs, не способствовал самопроизвольному открытию силового транзистора.
Эффект Миллера можно было назвать своим именем.
Я еще сталкивался с методом согласования путем подключения осциллографа к затвору, и подстроечника вместо Rg, и затем подбирать сопротивление по форме сигнала — отсутствию «звона». Понятно, что оно и скорость должно обеспечивать, и отсутствие перегрузки драйвера, но и форма сигнала должна быть красивая.
А подстроечные резисторы разве не проволочные внутри? У них тогда будет внушительная индуктивность, что скажется на процессе настройки «красоты сигнала». После замены на smd-шный резистор значение паразитной индуктивности изменится и толку от настройки будет не очень много.

и отсутствие перегрузки драйвера
Это меньшее из зол на самом деле и любой перегруз устраняется подходящим драйвером.
А подстроечные резисторы разве не проволочные внутри?

Последний раз проволочные видел лет 20 назад.
А подстроечные резисторы разве не проволочные внутри?

Большинство — нет :)
Понял)) Я почему-то думал, что всякие Bourns 3296W внутри таки проволочные судя по «скрипу» во время вращения.
Не все знают что такое эффект Миллера, а если заинтересуются, то найдут и поймут быстро.

Уверен, что если учесть большинство нюансов сразу, то скорее всего не придется боротся с некрасивой формой сигнала, тем не менее, можно выбрать диапазон небольшой и в нем попробовать запаять несколько номиналов, но подстроечник как раз, как вариант — так себе
Я еще сталкивался с методом согласования путем подключения осциллографа к затвору, и подстроечника вместо Rg, и затем подбирать сопротивление по форме сигнала — отсутствию «звона».


Примерно то же, что было в моей курсовой/лабораторной работе по теме «Импульсный модулятор». Я делал самодельный стендик, состоящий из ШИМ на TL494 с MOSFET на выходе. Можно было менять частоту, сопротивление в цепи затвора, и параметры RLC нагрузки, и снимать осциллограммы с затвора и стока транзистора. Очень хорошо было видно все происходящие там процессы.
С учетом всего вами выше сказанного, подбирать Rg ориентируясь в том числе, на температуру драйвера и ключа.

Хорошая заметка. Мне показалось правда, что нужно пояснить связь быстрого нарастания тока и напряжения с электромагнитной совместимостью, это может быть не очевидно. Для общего развития можно было бы написать еще и про резистор подтяжки. И, наверное, раз статья для начинающих, стоит упомянуть, что эти расчеты справедливы только для полевых транзисторов.

Спасибо большое за отзыв!

Для начала, думаю, не стоит слишком нагнетать ЭМС, тут не упомянул о подтяжке, так как сосредоточился именно на затворном резисторе, а практика подтяжки затвора в ответственных схемах расписана уже очень хорошо в многих источниках.

В статье, как раз и написано об управлении полевыми ключами, сразу в пункте «Основы»
А также — довольно часто используют «несимметричный» резистор. С параллельным диодом (анодом к затвору) и т.п. кунштюки.

Где лежит оригинал формул пересчёта общего заряда затвора в зависимости от напряжения? Это эмпирические коэффициенты или расчётные? Как я понимаю, из-за «полки» на графике общего заряда как функции от напряжения — это не может быть чем-то «простым» (условно — до 3-й степени).

Эти коэффициенты я когда-то увидел в статье то ли от ON Semiconductor, то ли International Rectifier, с тех пор постоянно использую при управлении +15/-8, и все отлично

Некоторые замечания из практики
1. Максимальный ток заряда/разряда выхода драйвера..
Слабый неадекватный драйвер тупо валит фронты переключения и это первое с чем сталкиваешься и что создает сразу большие проблемы.
Вывести же драйвер на режимы, где произойдет его разрушение — ну это еще нужно суметь так спроектировать
3. Скорость включения и электромагнитная совместимость
Очень познавательно сделать практический перебор номинала резистора затвора и посмотреть осциллографом картину фронта напряжения на стоке. Когда в натуре смотришь на вариации «бороды» переключения — многие вопросы уже сами собой отпадают.
Слабый неадекватный драйвер тупо валит фронты переключения
В статье про это вроде написано, вернее про то, что все упирается в динамические потери. Собственно длительность фронта и спада по сути определяют эти динамические потери.

на режимы, где произойдет его разрушение
Всеми любимый IR2110 начинает люто перегреваться, если не поставить резисторы, а затворные цепи от драйвера до ключей сделать очень короткими. Хотя вот чтобы прям разрушился лично не видел, но +80...110 градусов на драйвере тоже так себе ситуация.

Спасибо!


Я стараюсь использовать хорошие драйверы, проверенные временем и промышленностью


Действительно, если провести эксперимент, можно увидеть много интересного, вполне возможно, Ваш комментарий подтолкнёт к этому читателей

Вот, спасибо, очень интересная статья, как раз в тему. Сейчас как раз неспешно собираю оптодрайвер, ключи достаточно тяжельіе, 7000 пФ, 320 nC, а драйвер — HCPL-3120. И вот меня терзают смутньіе сомнения в отдаваемом токе драйвера (он с алиєкспресс)), ибо резистор 6,8 Ом что б не вьійти за 2,5А при раскачке +16 -3, но, если повесить щупьі на резистор, то всплески 4,8-5В, что даст ток ну пусть 1А, но аж никак не 2,5. Корректно ли такое измерение и менять драйвера, или некорректно и не забивать себе голову а параллелить драйвера или менять на более мощньіе?

Я бы поставил что-то другое именно для таких ключей, хотя и с 3120 проблем не было у меня, правда на ключах, где затвор намного легче. Можете описать мне в личку проблему, пораскинем мозгами вместе)

Спасибо за предложение, с удовольствием воспользуюсь, когда сформулирую более четко. А сейчас вопрос инструментальньій, возможно ли измерение тока зарядки затвора? Т.е. вешаем щупьі на разньіе концьі затворного резистора и смотрим всплески падения, считаем ток.
Да, это возможно. Перед измерением настройте компенсацию, если это предусмотрено на ваших щупах. Не забудьте, что подключение «земли» щупа к точке в схеме фактически подключает ее к защитному заземлению осциллографа и соответственно вашей сети питания (если конечно у вашего осциллографа предусмотрено защитное заземление и вообще, питание от сети).
Я бы провел измерения, подключив два щупа «землей» в одну точку в схеме — на общий провод, а измерительные контакты — к контактам резистора. Измеряемое падение на резисторе было бы разницей между сигналами с щупов. Такое измерение удобно проводить с помощью функции вычитания сигналов на цифровом осциллографе.
Также, если вы хотите увидеть максимальную полосу частот при измерении, то переведите делители щупов на минимальное значение (с учетом измеряемого напряжения, конечно!). При таком (да и при любом другом) измерении есть вероятность не увидеть очень резкие всплески напряжения из-за ограничений полосы пропускания осциллографа и щупов.

Да, и не стоит забывать, что вы увидите форму тока и её нужно будет привести к среднеквадратичному значению, о котором идёт речь в измерениях и рассчетах

Да какое среднеквадратичное, в даташите расчет резистора приведен на 2,5А пикового. Если б среднеквадратичное, можно бьіло б вдувать в гейт по 10 ампер импульсом одноамперньім драйвером, сколько там тот фронт идет, 300 нан, импульс короткий, 2 штуки на 15 микросекунд, времени огого для остьівания кристалла, да еще и на заряд-разряд разньіе его части работают. Но к сожалению єто мечтьі)

В общем меня осенило, бессмьісленно измерять падение на самом затворном резисторе, просто в серию добавить 0,2-0,5 Ом и с него уже снять показания тока, будет +- небольшой детский лапоть.
Когда речь идет о рассеиваемой мощности, там как раз среднеквадратическое значение нужно)
Да рассеиваемая мощность последнее, что меня интересует, когда речь не о ключах, снабберах и гасящих резисторах. Там посчитать ее изначально через напряжение и заряд затвора и потом пальцем пощупать намного легче, чем измеряемое значение вьічислять.
Вас это может и не интересовать, но остальным нужно изначально оценить мощность, выделяемую на резисторе, чтобы определиться с размером резистора. Все таки 0603 и 1206 это две большие разницы, а в некоторых решениях оптимизация размеров тоже будет играть роль, например, в компактных драйверах bldc.
Так про єто прекрасно в статье описано, с формулами и всем чем положено, если б вьі ее читали то увидели б. А здесь как бьі подветочка про измерение реального тока зарядки гейта, а не мифических ампер из даташита драйвера.
А здесь как бьі подветочка про
Судя по пафосу это веточка имени вас :)) В комментарии выше было упоминание рассеиваемой мощности в зависимости от среднеквадратичного тока или в вашем особом мире он не считается?

Что же касается измерений… вы мусолите элементарнейшую процедуру. При это умудряетесь предлагать «шунт» на 0.2-0.5 Ом, что собственно в десятки раз выше, чем внутреннее сопротивление источника, который этот импульсным ток собственно и обеспечивает, то есть керамики. Не смущает, что 0.2-0.5 Ом ограничат все что можно и измерять будете погоду на Марсе?
Я ж сказал что плюс-минус небольшой детский лапоть. Для оценки тока через затворньій резистор, (а не самого драйвера) которьій, в моем случае, 6,8 Ом, имхо достаточно, разницу между одним и двумя с половинами ампер шунт покажет. Если у кого осцилограф лучше — может измерить и с меньшим шунтом.
В общем провел лабу, довесил 0,5 Ом на гейт, хорошо ток видно, до 3А доскакивает, зря грешил на драйвера.
Спасибо. Стоило бы еще рассказать, для чего используется отрицательное напряжение (паразитное включение и скорость переключения).

Вам спасибо за отзыв, возьму на заметку, возможно высветлю в следующей статье об управлении ключами

Так как же подобрать правильный резистор по вашим формулам, что откуда брать, из справочников, или еще откуда нибудь, поясните. Как использовать те формулы, которые вы привели в пункте 1.
Как я и писал в статье «важно проанализировать какие предположения могут быть важны и какое влияние они могут оказать на выбор резисторов затвора», а сама по себе задача выбора его это многокритериальная задача поиска оптимума, тут скорее важно понимать что может пойти не так, если выбрать «не то»

Что касается источников, то все величины без труда находятся в даташитах на ключи и драйвера. По пункту 1 все более чем очевидно, если посмотреть на схему и знать, где лежит учебник по ТОЭ
Было бы ещё интересно почитать про специфику управления разными видами ключей. Не только IGBT, но и MOSFET, и нитридгаллиевых HEMT.
А между управляющим gpio и затвором драйвера тоже нужен резистор?
Подскажите ещё, нужны ли где-то высокоомные подтяжки входа, чтобы не ловить помехи?
А между управляющим gpio и затвором драйвера тоже нужен резистор?

В драйверах вход не идет напрямую на затворы управляющих ключей, там между входом и ключами обычно стоит какая-то логика, так что нет, не нужно :)
Зависит от выходных параметров контроллера и входа драйвера, в любом случае ставить резистор для ограничения тока входа\выхода — есть правило хорошо тона.

Вы сами ответили на свой вопрос) там, где высокоомный вход, там велика вероятность возникновения напряжения из-за помех но подтяжки не для того, чтобы не ловить помехи, а чтобы фиксировать состояние входа в этом случае, в каком-то стабильном положении (0 или 1). Например та же подтяжка затвора полевого ключа к земли зафиксирует 0 на затворе, и от слабых наводок он не откроется.
А в микрухах внутреннего ограничения не достаточно? Вот в ПЛИСине я могу поставить ограничение 2-24 мА на выход, я пока не понял физической реализации, может это аналог такого сопротивления, его не достаточно?

Ну я не вижу большой разницы с моей в вашей трактовке отсутствия помех.
В плис это не ограничение тока, а значение после которого начнут заваливаться фронт и спад сигнала. Ограничивать ток умеют только некоторые специальные выводы на Lattice типа серии iCE40 Ultra.

P.S. 2-24 мА подозреваю видели на альтере в квартусе))
В xilinx-е, с альтерой дел не имел. У актеля такого вроде не видел, но с ним мало баловался. Т.е. это просто какая-то энергосберегающая штука, а не ограничение? Я просто обычно её в максимум задирал наоборот, пытаясь сделать более крутые фронты.
Это штука, ограничивающая пиковый ток потребления и, соответственно, просадку питания в случае, если вы хотите попереключать 64-разрядную параллельную шину. Реализуется как изменение ширины драйвящих линию транзисторов (соответственно, их сопротивление тоже меняется, но это уже следствие).
Я совсем запутался, в доках про это ограничение как-то коротко. Не подкинете ссылочку с примерами правильного использования? А то запрос про «drive» много лишнего выдаёт.
Ссылку сходу не придумал, какую найти. Идея в том, что у линии питания схем ввода-вывода есть ненулевое сопротивление (и дальше есть сопротивление вывода и короткой дорожки до конденсатора). 0.5-1 Ом может набежать легко. Когда вы переключаете вывод, ток течет через это сопротивление. Когда переключающийся вывод один, это не проблема, а если их много, то питание может очень сильно просесть в момент переключения линии, если у вас неудачно много сигналов из нуля в единицу переключается. Чтобы этого избежать, ток в драйверах ограничивают, получая более медленное переключение, зато без просадки. Или используют последовательные I/O.
По сути не нужны. Внутренние подтяжки к земле есть и у МК и у драйвера, установка внешней — это уже перфекционизм, который оправдан, если у вас не супер бюджетное устройство и есть место для нескольких лишних резисторов.

Что касается резистора, включенного последовательно, то он не нужен для большинства случаев, кроме драйверов, внутри которых стоит оптотранзистор или что-то такое. В пример могу привести HCPL-3120 или HCPL-316J, которые потребляют до 18...25 мА свободно, если ток не ограничивать ничем. Им обычно ставят 100 Ом, но вообще такие драйвера это пережиток 90-х и 00-х, сейчас все, что новое приспособлено к управлению от маломощных i/o микроконтроллеров.
Only those users with full accounts are able to leave comments. Log in, please.