ハイサイドP-MOSのゲート充放電

MP4212というフルブリッジICのハイサイド(P-MOS)の駆動がどうなるか検討してみる。ゲートの充放電を滞りなく行う。

回路シミュレータは例によってLTSpiceIV。

R1の値を1k、3.3k、10kと変更してのシミュレーション。P-MOSはMP4212のP-MOSと同じ程度のゲート入力電荷(22nC)程度のものをつかった。

黄色：MOSFETの電力損失
紫：MOSFETのゲート電位
赤：入力のロジック信号（グラフ右端で0に落ちている)
緑：R1に流れる電流

10kΩの抵抗ではターンオフ開始まで70us、オフ完了までに120usもかかるが、1kΩ抵抗にするだけでかなり早くなる。たぶんMOSFETの損失も1/10くらいになる。
スイッチオフしたつもりでもまたMOSFETがONのままである時間が結構あるので、ここも要注意。ブリッジ回路だと上下のトランジスタが同時にONになるとまずい。

 

これでも満足できない場合は次のようにトランジスタを入れることでゲートの放電をサクっとやってしまう方法があります。しかしながらP-MOSのスレッショルド電圧があまりにも低いとトランジスタでオフしきれないばあいがあるので注意が必要です。

3usくらいでスイッチオフできているが、上の1kΩのものは大体5usでスイッチオフできているので、微妙といえば微妙かもしれない。12Vで動かしたとき、1kΩ抵抗だと12mAが無駄にながれるが、こっちは1.2mAだ。モーターを駆動するような電流の食い方をする回路では12mA程度はもしかしたら無視できるものかもしれない。

注意点はあまりにもスレッショルド電圧の低いMOSFETだとターンオフしきれない可能性がある点。ゲート電圧はVccまでは到達せず、トランジスタのベースエミッタ電圧だけ低い電位になる（Vcc-VBE）。なのでスレッショルド電圧が0.6VとかいうMOSFETを使うとこの回路ではだめ。

MOSFETのターンオフ（ターンオンもだけど）で、ゲート電圧が一定になっている箇所があるが、MOSFETのチャンネルに電荷を送り込むだけのゲートの電荷なのだろう。
実際のデバイスの動きがちゃんと盛り込まれているようだ。以下ルネサスの資料から抜粋。