Calculo de la corriente de puerta para Mosfet

[dogflu66]

Hola amigos; pues lo mismo que el título, sobre el un calculo aproximado de la demanda de corriente máxima para el control de un mosfet en modo switching.
Para hacerme una idea aproximada he utilizado la formula de la reactancia capacitiva Xc = 1 / (2*pi*f*C).
Pero estaré muy agradecido a alguien que se maneje bien con los datasheet de los mosfet y las formulas me puede echar una mano. 

[KILLERJC]

El MOSFET no demanda corriente, el MOSFET es como un capacitor a llenar. Y mientras mas rapido se llene o vacie """"mejor"""" (mas adelante escribo un poco mas de esto)

Hay muchos factores que juegan con la eleccion correcta, y casi siempre se termina determinando en la practica. Algunas de las preguntas al leer tu comentario son:

- Frecuencia de trabajo
- Que driver usas, si es que usas algun discreto.

Aca hay un buen resumen de como funcionaria y algunos puntos a tener en cuenta.
https://electronics.stackexchange.com/questions/287792/what-the-best-way-to-calculate-rg-gate-driver-for-mosfet/287805#287805

Basicamente, lo que define un MINIMO es:

- Lo que puede suplir tu driver (Potencia y corriente)
- Estabilidad

Pero eso no quiere decir que sea lo optimo. Ya que tener una resistencia "baja" al conmutar rapido, trae sobrepicos en los terminales DS (si es inductiva), mas EMI, pero poca perdida de conmutacion, si te vas a una resistencia mas grande es al revés que antes.. menos sobrepicos, menos componentes de alta frecuencia dando vuelta, pero mas perdidas en conmutacion.
Como ves influye también el tipo de carga. Y terminas haciendo un balance entre ambos mas que nada de forma practica.

PD: Podrias usar Qg (total) que es la cantidad de carga a entregar al MOSFET para su saturacion completa.

Y un poquito mas detallado, vas a ver que si entras mas en detalle ya no es tan simple:

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-EiceDRIVER-Gate_resistor_for_power_devices-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462518ffd8501523ee694b74f18

[Picuino]

La capacidad importante suele ser la Crss que es la capacidad que hay entre drenador y puerta. Es importante debido al efecto Miller https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Miller
Al conmutar el Mosfet, esa capacidad se descarga sobre la puerta y hasta que no se descargue del todo, el mosfet no termina de conmutar.

El tiempo de transición por lo tanto será de:

   Tf = Crss * Vdd / Ig

Por ejemplo para una Crss = 15pF, una tensión de Vdd = 12V y una corriente de puerta Ig = 1A

   Tf = 15pF * 12 / 1 = 180ns

Ese es el tiempo de transición.


Hay otro tiempo que es el que tarda el mosfet en aumentar la corriente desde cero hasta que comienza la transición. Eso depende de la capacidad de entrada Ciss y de las tensiones de puerta a las que el mosfet comienza a conducir y a las que el mosfet aumenta la corriente hasta que comienza la transición.

Las fórmulas y los tiempos también dependen un poco del circuito que se vaya a utilizar. Una carga resistiva es más sencilla de conmutar que una inductiva por la que pase corriente.

Pero para no complicar las cosas con esa primera ecuación tendrás suficiente para hacer un cálculo aproximado.

Un saludo.

[dogflu66]

El MOSFET no demanda corriente, el MOSFET es como un capacitor a llenar. Y mientras mas rapido se llene o vacie """"mejor"""" (mas adelante escribo un poco mas de esto)

Hay muchos factores que juegan con la eleccion correcta, y casi siempre se termina determinando en la practica. Algunas de las preguntas al leer tu comentario son:

- Frecuencia de trabajo
- Que driver usas, si es que usas algun discreto.

Aca hay un buen resumen de como funcionaria y algunos puntos a tener en cuenta.
https://electronics.stackexchange.com/questions/287792/what-the-best-way-to-calculate-rg-gate-driver-for-mosfet/287805#287805

Basicamente, lo que define un MINIMO es:

- Lo que puede suplir tu driver (Potencia y corriente)
- Estabilidad

Pero eso no quiere decir que sea lo optimo. Ya que tener una resistencia "baja" al conmutar rapido, trae sobrepicos en los terminales DS (si es inductiva), mas EMI, pero poca perdida de conmutacion, si te vas a una resistencia mas grande es al revés que antes.. menos sobrepicos, menos componentes de alta frecuencia dando vuelta, pero mas perdidas en conmutacion.
Como ves influye también el tipo de carga. Y terminas haciendo un balance entre ambos mas que nada de forma practica.

PD: Podrias usar Qg (total) que es la cantidad de carga a entregar al MOSFET para su saturacion completa.

Y un poquito mas detallado, vas a ver que si entras mas en detalle ya no es tan simple:

https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-EiceDRIVER-Gate_resistor_for_power_devices-ApplicationNotes-v01_00-EN.pdf?fileId=5546d462518ffd8501523ee694b74f18

Hola Killerjc; la carga es inductiva y la frecuencia 40Khz. La tensión de puerta es de 5v para el mosfet PSMN3R5-80PS que me funciona muy bien usado para sustituir la activación por rele hasta 10amp y muy baja temperatura de trabajo para el mosfet.

Y lo que quiero hacer es actualizar un driver 100w/36v led que esta alimentado a 24VDC. Precisamente quiero quitar el chip driver de control de puerta y por lo tanto también el circuito regulador de la alimentación de puerta a 18vdc. Y como creo que se deduce es porque quiero controlarlo con la salida directa del modulo CCP del micro.

[dogflu66]

La capacidad importante suele ser la Crss que es la capacidad que hay entre drenador y puerta. Es importante debido al efecto Miller https://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_Miller
Al conmutar el Mosfet, esa capacidad se descarga sobre la puerta y hasta que no se descargue del todo, el mosfet no termina de conmutar.

El tiempo de transición por lo tanto será de:

   Tf = Crss * Vdd / Ig

Por ejemplo para una Crss = 15pF, una tensión de Vdd = 12V y una corriente de puerta Ig = 1A

   Tf = 15pF * 12 / 1 = 180ns

Ese es el tiempo de transición.


Hay otro tiempo que es el que tarda el mosfet en aumentar la corriente desde cero hasta que comienza la transición. Eso depende de la capacidad de entrada Ciss y de las tensiones de puerta a las que el mosfet comienza a conducir y a las que el mosfet aumenta la corriente hasta que comienza la transición.

Las fórmulas y los tiempos también dependen un poco del circuito que se vaya a utilizar. Una carga resistiva es más sencilla de conmutar que una inductiva por la que pase corriente.

Pero para no complicar las cosas con esa primera ecuación tendrás suficiente para hacer un cálculo aproximado.

Un saludo.

Gracias Picuino; me voy haciendo una idea.

[KILLERJC]

La tensión de puerta es de 5v para el mosfet PSMN3R5-80PS

Ese voltaje de compuerta para ese micro, estaria muy al borde del Vgs(th), por lo cual perderias mucho tiempo cargandolo sobre el miller plateau. Lo que tendrias que buscar es algun MOSFET con compuerta logica. Buscando masomenos los mismos parametros:

https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BUK964R7-80E.pdf
Y la pregunta es... se necesitan 120A? o aproximados? Sino (suponiendo que usas un rele de 10A, usas menos corriente que 10A):
https://assets.nexperia.com/documents/data-sheet/BUK9Y107-80E.pdf  (Observa luego la carga total, entre uno y otro, vas a ver que este es mucho mas pequeña)

Y como creo que se deduce es porque quiero controlarlo con la salida directa del modulo CCP del micro.

Supongamos que es directo... El pin el maximo de corriente que puede suministrar es de 25mA (suponiendo que no se superen los 80 o 90 de todo el puerto)
Eso te deja con una resistencia de compuerta minima de 200ohm. Ya que inicialmente tenes 0V sobre el gate. El problema es que luego tenes:
(5V-2.1V)/200 = 14.5 mA para cargar el efecto miller. (Los 2.1V son de Vgs(th) del MOSFET que te pase)

La carga total necesaria de compuerta esta en unos 92.1nC, y el tiempo final de conmutacion podrias aproximarlo haciendo:

t = 92.1nC/14.5mA = 6.35uS

Considerando que tratas de ir a 40Khz, y necesitas el doble ya que es encendido y apagado, suponiendo un 50% duty, neceistas activarlo cada 12.5us, lo cual estas muy cerca.
Vas a tener que considerar un driver con transistores para actuar mas rapido y usar una resistencia mas pequeña.

PD: si me equivoco en algo me lo dicen, y tambien se lo dicen a dogflu

[dogflu66]

Gracias, haré unas pruebas y dejare los resultados por aquí.