Перейти к содержанию

Заряд затвора Qg

Заряд затвора — количество электричества, которое нужно отдать в затвор полевого транзистора, чтобы открыть его до заданного напряжения. По нему считают ток драйвера, время переключения и мощность, которую тратит схема управления.

Обновлено Редакция GAW

Заряд затвора (gate charge, Qg) — заряд, который нужно передать в затвор полевого транзистора с изолированным затвором (MOSFET или IGBT), чтобы поднять напряжение затвор — исток от нуля до заданного значения. Затвор — это конденсатор, но его ёмкость сильно меняется по ходу переключения, поэтому производители указывают не ёмкость, а заряд: график «Gate charge» в даташите показывает напряжение на затворе в зависимости от отданного в него заряда.

Три участка

  • Qgs — заряд от нуля до начала плато: напряжение затвора доходит до порогового, и ток стока нарастает до тока нагрузки.
  • Qgd — заряд на плато Миллера: напряжение затвора стоит на месте, весь ток затвора перезаряжает ёмкость затвор — сток, а напряжение сток — исток падает до I · RDS(on).
  • Qg — полный заряд до напряжения драйвера.

У IRLZ44N по даташиту Qg, Qgs и Qgd — не больше 48, 8,6 и 25 нКл при 5 В на затворе и токе 25 А.

Расчёт драйвера

Чтобы переключить транзистор за время ts, нужен ток затвора, а на управление уходит мощность:

IG=Qgts,P=Qg⋅VGS⋅fI_G = \frac{Q_g}{t_s}, \qquad P = Q_g \cdot V_{GS} \cdot f

Advanced Power Technology в APT0103 советует считать ток на полный заряд Qg, а не на Qgs + Qgd: значения в таблице — для типового экземпляра и условий теста, и запас покрывает разброс. Медленное переключение увеличивает потери в ключе, а в полумосте вместе с мёртвым временем определяет, сколько длится переходный процесс. Модель затвора, переключение на индуктивную нагрузку и расчёт потерь подробно разобраны в статье «MOSFET и IGBT».

Частые вопросы

Какой ток нужен драйверу, чтобы быстро открыть MOSFET?

Ток, который отдаст полный заряд затвора за нужное время: IG = Qg / t. Затвор IRLZ44N с зарядом до 48 нКл за 100 нс требует около 0,5 А, а вывод микроконтроллера с резистором 150 Ом в затворе (пиковый ток около 33 мА при 5 В) перезарядит его не быстрее чем за 1,5 мкс. Для быстрой ШИМ поэтому ставят драйвер затвора.

Что такое плато Миллера?

Участок графика заряда затвора, где напряжение на затворе перестаёт расти. В это время весь ток затвора идёт на перезаряд ёмкости затвор — сток, пока напряжение сток — исток падает. Заряд на плато обозначают Qgd; именно в этот интервал транзистор находится между открытым и закрытым состоянием и рассеивает основную мощность переключения.

Сколько мощности тратит драйвер на управление затвором?

За каждое переключение драйвер заряжает и разряжает затвор, и мощность управления P = Qg · VGS · f. Для IRLZ44N при 48 нКл, 5 В и частоте ШИМ 20 кГц это около 4,8 мВт, а средний ток затвора — Qg · f ≈ 1 мА. На сотнях килогерц и с крупными транзисторами мощность драйвера становится заметной.

Источники

  1. Vishay. AN608A: Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using it to Assess Switching Performance, 2016 — модель затвора, области заряда Qgs, Qgd и Qg, формулы времён переключения
  2. Advanced Power Technology (Microchip). APT0103: Making Use of Gate Charge Information in MOSFET and IGBT Data Sheets, 2001 — определения Qgs, Qgd, Qg, ток затвора IG = Qg / ts, расчёт драйвера на полный заряд
  3. onsemi (Fairchild). AN-9020: IGBT Basic II, Rev. 2, 2023 — мощность драйвера затвора
  4. International Rectifier (Infineon). IRLZ44NPbF (PD-94831) — Qg / Qgs / Qgd не больше 48 / 8,6 / 25 нКл при VGS = 5 В и ID = 25 А

Нашли ошибку?

Смотрите также