FETのドライブ電流を考える
FETのドライブ電流とは
FETは電源スイッチングやLED駆動など、ドレインーソースの電圧降下ロスが少ないので最近よく使われるようになってきました。ゲートをドライブする時、静的には電流が流れないはずですが、ゲート容量があるため瞬間的に電流が流れます。
ハード的には
SOP8パッケージに入った小型パワーMOS FET で100V 3A 程度の Renesas RJK1028DSP 等でもゲート入力容量は450PF程度あります。データーシートにも 4.5Vドライブ出来ると書いてあるので、5V電源のデジタルICで駆動すれば良いのですが、実はこの入力容量が問題なのです。通常のCMOSゲートICでは出力電流は 25mA程度です。これらで直接FETをドライブするとどうでしょう？
上図はシリーズ抵抗〈ゲート抵抗〉1Ωのとき、入力容量Cissが 10PF(赤）100PF(緑）1000PF(青）のときのポートに流れる電流です。通常のゲートIC入力容量は10PF以下ぐらいでは瞬間30mA程度流れますが、短時間に充電されますので、平均電流はほとんど無視できます。100PF程度ですと2nS程度の短時間 でも70mAと、かなり危ない負荷条件だと考えられます。1000PFでは電流は飽和し40nS程度続きます。この例では 1Ω の抵抗がある条件ですが、全く抵抗をつけない場合では ICの破壊や動作不良が起こるでしょう。
ソフト的には
パワーMOS-FETでは入力容量が数1000PFあるのが普通なのでゲートICでドライブする場合はスピードが問題なければ100Ωから 1kΩ程度のゲート抵抗をつける必要があります。高速ドライブが必要な場合はゲートICをパラレル接続して電流を増やしたり、さらに駆動するためのICや小型のFETを使ってドライブする工夫が必要になります。
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コメント
ゲート抵抗の値はどのようにして求めればよいのでしょうか？
ゲート電圧5Vで25mA流すのなら200Ωのように単純に計算できるものなのでしょうか？
Spiceで200Ωでしてみたら4mAほどしか流れませんでした(FETにかなり左右されます)。
何か求め方があるのでしょうか？
よろしくお願いします。
投稿: | 2013年8月31日 (土) 20時06分
Spice で検討する場合、FETによってゲート容量が異なるので、正確なモデルがない場合ゲートソース間にコンデンサーを追加して規格書にあるCiss値で実験します。
それでドライブ側に問題ない程度のピーク電流に設定すれば良いでしょう。
（ダイナミック的にはドレインーゲート間の容量も大きく関係します）
要するにコンデンサーに充電するときの突入電流の制限と、反対にコンデンサーを放電する場合の抵抗になりますので、高速にするにはできるだけ小さくします。
どちらかというとドライブする側の保護という意味や、信号ラインのインピーダンス整合に関係しますが、ゲート自体は静的な動作時には電流は流れませんから、高速でない場合は数10KΩの値でも問題ないですし、高速にしたい場合は 0.5Ωなんてこともあります。
カタログでは、よくゲートソース間に 50Ω つけた回路にゲート入力パルスをかけている測定回路を良く見ます。その時の OFF 特性を再現するには強力なプッシュプル出力回路でドライブし、ゲート抵抗を 50Ωにする必要がありますね。
投稿: SUDOTECK | 2013年8月31日 (土) 20時59分
返信有難うございます。
はい。FETのゲート容量をチャージ・ディスチャージする時のみ
電流が流れることは理解しています。
わからないのは、Cissが十分に大きくても、ピーク電流がSpiceだと単純計算の時に
比べて、電流がかなり少ない理由です。
ゲート抵抗以外で電流が制限されるものが他にあるのでしょうか？
あと、記事のグラフが70mAで飽和している理由もわかりません。駆動側の限界でしょうか？
電子工作始めたばかりで理論もよくわかっておらず質問ばかりですが、
よろしくお願いします。
投稿: | 2013年8月31日 (土) 22時19分
電流が少ない原因としては
1) ドライブする OP-AMP / CMOS の出力電流で制限されている。
２）ドライブする OP-AMP / CMOS の内部出力抵抗で IC出力端で電圧がドロップしてしまう。
Spice でも理想電圧ソース（立ち上がり数nS)でドライブすればピーク値はほぼ同程度になるかと思います。
上記ドライブ電流が 70mA で飽和しているのは CMOSインバーター( 74HC04AF)を６個パラレル接続している回路シミュレーションで、ドライブ電流限界がその辺りだと思われます。
上記グラフを見ても Ciss = 1000PFで飽和時間が 40nS 程度なので、どちらかといえばドライブ側を保護するために最大電流に合わせてゲート抵抗の値を決めれば良いかと思います。
投稿: SUDOTECK | 2013年9月 1日 (日) 11時12分
返信有難うございます。
立ち上がり10nSの電源ソースで駆動してみたところ、
単純計算値に近い値が出ることを確認しました。
70mAの件はそういうことなんですね、ちょっとモヤモヤがとれてスッキリしました。
また質問で申し訳無いのですが、
現在マイコンから直接パワーMOS-FETを駆動するということをしているのですが、
ゲート抵抗は単純計算でのピーク電流が、
マイコンのポートの最大定格を超えない値にするべきなのでしょうか？
Web上で(同じマイコンを使った)色々な回路図を見ていると、
最大定格の倍以上流れるような抵抗値(10Ω,100Ω等)が多く使われています。
これは立ち上がりに時間がかかってSpiceでの結果のように
ピーク電流が小さくなるを見越して、又は瞬間なので
熱的に大丈夫との判断によるものなのでしょうか？
SUDOTECK様はポートの最大定格が5V 25mAだとしたら
どれぐらいの値のゲート抵抗にしますでしょうか？
Spiceで5V無設定の電圧源で200Ωのゲート抵抗でIRFP2907という
FETを駆動した時のグラフです。
http://gyazo.com/d196d8c3ea0d9c1702b844234ecc51ab
よろしくお願いします。
投稿: | 2013年9月 1日 (日) 19時33分
設計の条件としてどのくらいの高速で ON/OFFする必要があるかです。
グラフから見て 立ち上がりに20uS程度かかっていますが、その早さでで問題なければ、ゲート抵抗は180Ωでいいでしょう。（これは計算上 200Ωですが 25mA流した時にマイコンの出力電圧が下がるでしょうからちょっと小さめにします）
この回路では FET の ON/OFF 周期は 数 KHz程度と想像します。 ゆっくり動作させるランプとか LEDの駆動ならばこれでいいかと思います。
IRFP2907は Cissが 13000PFもありますので、カタログどおりのスイッチング速度特性を得るにはマイコンポートでは無理です。 高速でスイッチングするには、Cissが数100PF程度の小型MOS-FETでプッシュプル駆動させないと無理ですね。できればドライブレベルも 0 +5Vでなく +10Vはかけたいです。データーシートの測定条件にも 10V で Rg =1.5Ωとなっていますね。
投稿: SUDOTECK | 2013年9月 1日 (日) 22時27分
返信有難うございます。
実際に作っている回路とSpiceでのシミュレーションは無関係です。
立ち上がりに時間がかかる場合での例として書きました。
紛らわしくて申し訳ございません。
実際に駆動させているFETは490pFと比較的小さい容量のものです。
180Ωですか。そうですね、出力電圧が下がることを意識した方がいいですよね。
Webで
http://reprap.org/mediawiki/images/8/83/Sanguinololu-schematic.jpg
このようにゲート抵抗なしで駆動させている例が結構多くあり悩んでましたが、
ドライブ側の保護や発振防止を考えると、
ゲート抵抗を入れたほうがよさそうですね。
色々と質問ばかりでしたが親切にして頂きありがとうございます。
投稿: | 2013年9月 2日 (月) 14時38分