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FETのゲート端子に100Ωの抵抗器を入れて配線する際の注意点
- Nch-FET「IRLB3036PbF」のゲート端子に100Ωの抵抗器を入れて配線することは問題ありません。
- 静電気対策は必要ですが、100Ωの抵抗器を使用することで十分な保護ができます。
- ゲート端子に抵抗器を入れて配線することは一般的な構成であり、安定した動作を得るための方法です。
- 電気設計
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毎度ＪＯです。 前回投稿の続きでしょうか？ http://mori.nc-net.or.jp/EokpControl?&tid=299159&event=QE0004 ならば TLP705A(CPU基板)→基板外の配線(30cm)→100Ω→IRLB3036PbF FETから100Ωで基板外へ引き出す事は静電気対策の面では問題有りません IRLB3036PbFのデータシートによると、VGS Gate-to-Source Voltage ±16Vとなって居るので基板外からの静電気等は100ΩとFET内ゲートに生成された16Vのツェナー電圧で「クリップ」されますから、FETが破損する事は無いでしょう 前回の投稿でも指摘した通りＦＥＴのドライブに関して幾つか問題点が有ります １）フルブリッジによるＰＷＭ制御なので、ある程度のキャリア周波数が存在します、この周波数が高く成るとＦＥＴのドライブが苦しく成ります TLP705Aの伝達遅延 ＋ TLP705Aの出力電圧範囲 ＋ 100ΩxFETの入力容量による時定数 ＋ FETのTurn-Off Delay Time 等、計算によりこれらが全て加算されます、この時間がキャリア周波数より「十分に」短い必要が有ります ２）ドライブレベルの問題です IRLB3036PbFのデータシートによると、ゲート電圧は最悪の場合1.8V以下にしないとFETがOFF出来ません（Fig 1. Typical Output Characteristics） 一方ドライバーのTLP705Aのデータシートによると、ローレベル出力は温度により出力電流に制限が有ります、最悪値は1.8V時0.2A これらの余裕の無い所に、100ΩxFETの入力容量による時定が効いて来ます、 ３）フルブリッジ回路なのでTLP705Aを４個ドライブする必要が有ります（推奨電流は10mA）、このドライブ電流はマイコンからでは無理でしょう 例え１つのマイコンポートから出力出来る限界電流以内だとしても、マイコンのVCCには大きな電流が流れます マイコンがモータードライブのみに使用する事は稀で、他の制御も受け持ちます、VCC電圧が暴れる事によりADコンバータ等のアナログ回路は使い物に成らなく成り、マイコンの温度上昇等も考慮せねば成りません 何れにしても計算により算出されますので、徹底的な計算する事をお勧めします なので！ 試作で動いたとしても温度等の環境変化により「希望の動作」が出来ない可能性が有ります 電子回路は、思った様には動かない、作った様に動くだけ。 １）ＰＷＭ制御で、仮にキャリア周波数が10kHzだとしましょう ＰＷＭ８ビット制御とすると、最小のパルスは1/256 時間にすると、10kHz=100μS この1/256だと390nS この時間を十分に下回る伝搬遅延時間が必要と成ります 計算の前提と成るゲート抵抗を1Ωとして計算すると １）TLP705Aの伝達遅延=120nS程度 ２）100ΩxFETの入力容量による時定数 ゲート容量20nFとして、TLP705Aが十分にドライブしてるとして、ゲート電圧が12Vから1.8Vまで低下するのに≒70nS ３）FETのTurn-Off Delay Time 110nS これらを合計すると300nS ＰＷＭが必要とする時間が390nSですから、ＰＷＭの最小パルスの80％の時間遅れが出ます 従ってＰＷＭのキャリア周波数10kHzでは非常に苦しい数値です、ゲート抵抗が100Ωでは390nSを上回ります＝ＯＮ出来ない ２）ＦＥＴのドライブに関する問題の根源はTLP705Aを「単電源」で使用している点に有ります 今回の様な形でTLP705Aを使用するなら、TLP705Aの電源は±電源で使用すべきです +12V -5V 程度の電源で使用すれば、ドライブレベルの問題から開放されます ３）Cissの小さなFETでTLP705のLED駆動 これは良い案では有りません、プルアップ等で使用すると伝搬遅延時が大きく成ります 出来れば78AC04等の駆動能力大きなロジックICで駆動する方が高速に駆動出来ます 74AC04 http://toshiba.semicon-storage.com/info/lookup.jsp?pid=TC74AC04P®ion=jp&lang=ja 伝搬遅延時間は最大7.5nS この様に徹底的に計算する事で、試作する前に「回路定数」が妥当かの見当が付けられます これは考えられる想定する挙動の一部に過ぎません、電子回路は細部に渡り設計者の「管理下」に置かねば成りません 適当に設計していては「偶然動いて居る」に過ぎず「何時止まるか分らない」と同等です 訂正 ２） ２） 誤 100ΩxFET 正 1ΩxFET
その他の回答 (4)
回答(4)よりヒント トラ技の記事を読んでいて思ったのですが。 最適ゲート抵抗が仮に数10Ωという値とゲートラインを300mmも外部へ引き出す場合そのインダクタンスが数100nHになる事と、FETのターンオン、ターンオフ時間を考慮すると問題有りですね。ゲートドライブ信号そのものが立上り立下り時にリンギングを起こして、最悪FETの破壊に繋がりそうな感じがします。破壊しないまでも汚いノイズを周囲にまき散らすと思います。従ってゲートドライバは直近に配置すべきで、結果静電気対策は不要と思います。
バイブル トラ技 ２０１５年１月号 http://toragi.cqpub.co.jp/tabid/751/Default.aspx 第2章 熱とノイズが一番出やすい大電流ON/OFFスイッチを最適化! 実験室? MOSFETのゲート抵抗の最適値 本件のＦＥＴのゲート抵抗をいくつにすべきか？ その解答が書いてある 大きすぎても小さすぎてもダメ 速攻で買うベシ
引き出す長さにもよりますし 単純にON/OFFさせるだけなのかPWM制御するのかなど 使用状況がわからないと答えられません。 短い距離で単純にON/OFFさせるなら問題ないでしょう。 高速にPWM制御するならだめでしょうね。
お礼
ご回答ありがとうございます。 30cm程度の引き出しで、1～10KHz程度のPWM制御です。 各部品の仕様書を読んで、問題ないか確認します。
IRLB3036 定格 VDSS＝60V ID＝195A のn-ch MOS-FET データシートの特性表より、 総合ゲートチャージ 91nC（VGS=4.5V VDS=30V ID=165A） 等価ゲート容量 CG 91n÷4.5V = 20nF =20,000pF ゲート抵抗100Ωを直列に繋げば、等価ゲート容量とで作る時定数TGは、 TG＝CG×RG＝20nF×100Ω＝2μs ご所望のスイッチングスピード（on→off及びoff→onの切り替わり時間）は、 どの程度でしょうか？ 2μsよりもずっと遅いスイッチングでよければ、100Ωのゲート抵抗を入れ ることはOKでしょう。 しかしながら、このFETの一般的なアプリケーションでは、2μsよりもずっと 早い速度でスイッチングさせる必要がある筈です。 ドライバー回路と、ゲートの間に100Ωオーダーの抵抗を入れることは、 通常行わないと思います。仮に入れたとしても、1Ω前後かな？ いずれにしても、ご質問の内容だけで答えを求めるのは無理です。 使用する回路構成、用途、性能目標などをご提示になることが適切と思います。 ＞1KHz～10KHz程度です この周波数は、PWMのキャリア周波数と思います。 仮に10kHzのスイッチング周波数であれば、100μsの周期のうちに on→off及びoff→onの切り替わる遷移期間があります。 この遷移時間には、スイッチング素子に電圧と電流が同時に加わるため 大きな電力損失が発生します。電力損失は、温度上昇に直結します。 インバータ回路の効率を上げる重要なポイントは、on→off及びoff→on の切り替わる遷移期間を如何に短くするかにかかっています。 10kHzのスイッチング周波数の場合、先に試算した2μsオーダーの遷移 時間が存在したら、そのインバータは市販品に比較して効率・温度上昇 で大きく見劣りすると想像します。 遷移時間は、100～200 ns程度を目標とすることが良さそうに思います。 100Ωを入れて実験してみれば、結果は明らかだと思います。 「FETは入力インピーダンスが高い」というのは、直流的な特性です。 高速で動作させたい場合は、ソース、シンクともに十分な駆動電流を 確保できるドライバー回路によって駆動することが必須です。 回答(4)さんに一票です。 最近「トラ技」を読まなくなりました。
お礼
ご回答有難うございます。 ご所望のスイッチングスピード（on→off及びoff→onの切り替わり時間）は、 どの程度でしょうか？ ＞1KHz～10KHz程度です。 しかしながら、このFETの一般的なアプリケーションでは、2μsよりもずっと 早い速度でスイッチングさせる必要がある筈です。 ドライバー回路と、ゲートの間に100Ωオーダーの抵抗を入れることは、 通常行わないと思います。仮に入れたとしても、1Ω前後かな？ ＞前段の回路特性と合わせて、100Ωは検討しようと思います。
お礼
ご回答頂きありがとうございます。 前回投稿の続きです。 １）フルブリッジによるＰＷＭ制御なので、ある程度のキャリア周波数が存在します、この周波数が高く成るとＦＥＴのドライブが苦しく成ります TLP705Aの伝達遅延 ＋ TLP705Aの出力電圧範囲 ＋ 100ΩxFETの入力容量による時定数 ＋ FETのTurn-Off Delay Time 等、計算によりこれらが全て加算されます、この時間がキャリア周波数より「十分に」短い必要が有ります >周波数は、1～10KHzに設定する予定です。上記計算してみます。 ２）ドライブレベルの問題です IRLB3036PbFのデータシートによると、ゲート電圧は最悪の場合1.8V以下にしないとFETがOFF出来ません（Fig 1. Typical Output Characteristics） 一方ドライバーのTLP705Aのデータシートによると、ローレベル出力は温度により出力電流に制限が有ります、最悪値は1.8V時0.2A これらの余裕の無い所に、100ΩxFETの入力容量による時定が効いて来ます、 >考えていませんでした。100Ωを変更するか、100Ωをバイパスするダイオードを追加しようかと思います。 ３）フルブリッジ回路なのでTLP705Aを４個ドライブする必要が有ります（推奨電流は10mA）、このドライブ電流はマイコンからでは無理でしょう 例え１つのマイコンポートから出力出来る限界電流以内だとしても、マイコンのVCCには大きな電流が流れます マイコンがモータードライブのみに使用する事は稀で、他の制御も受け持ちます、VCC電圧が暴れる事によりADコンバータ等のアナログ回路は使い物に成らなく成り、マイコンの温度上昇等も考慮せねば成りません >Cissの小さなFETでTLP705のLEDを駆動させたいと思います。 実機を作ることに焦ってましたが、まずは各部品の仕様書をしかり読み込んで計算しようと思います。計算どおりになってるか試作を作って確認しようと思います。