Porozumění procesu zapnutí MOSFET

Vyzkoušejte Náš Nástroj Pro Odstranění Problémů





Správně vypočítaný proces zapnutí MOSFET zajišťuje, že je zařízení zapnuto s optimální účinností.

Při navrhování obvodů založených na MOSFET vás možná zajímalo, jaký je správný způsob zapnutí MOSFET? Nebo jednoduše jaké je minimální napětí, které by mělo být přivedeno přes bránu / zdroj zařízení, aby se dokonale zaplo?



Ačkoli pro mnoho digitálních systémů to nemusí být problém, 5V systémy jako DSP, FPGA a Arduinos vyžadují posílení jejich výstupů pro optimální spínací podmínku pro připojený MOSFET.

A v těchto situacích návrhář začne hledat specifikace MOSFET, aby získal data prahového napětí. Návrhář předpokládá, že MOSFET by se při překročení této prahové úrovně zapnul a změnil stav.



To však nemusí být tak jednoduché, jak se může zdát.

Co je prahové napětí V.GS (th)

Nejprve si musíme uvědomit, že mezní napětí, označené jako VGS (th)není na obavách designérů obvodů.

Přesněji řečeno, je to hradlové napětí, které způsobí, že odběrový proud MOSFET překročí prahovou úroveň 250 μA, a to je testováno za podmínek, které by se v praxi v praxi obvykle nikdy nestaly.

Během určité analýzy se pro výše uvedené testování zařízení používá konstantní 5V. Ale tento test je obvykle implementován, když je brána a odtok zařízení navzájem propojeny nebo zkratovány. Tyto informace můžete snadno získat v samotném datovém listu, takže na tomto testu není nic záhadného.

Prahové úrovně MOSFET a příslušné zkušební podmínky

Výše uvedená tabulka uvádí prahové úrovně a příslušné zkušební podmínky pro příklad MOSFET.

Pro požadovanou aplikaci by se designér mohl obávat obávané situace známé jako „indukované“ hradlové napětí, což může být vážným problémem, například při nízkém MOSFETu synchronní převodník bucků .

Jak již bylo řečeno dříve, i zde musíme pochopit, že překročení prahu VGS (th)úroveň nemusí nutit zařízení, aby se dostalo do stavu poruchy průstřelu. Tato úroveň vlastně říká designérovi, pokud jde o prahovou hodnotu, při které se MOSFET právě začíná zapínat, a nejedná se o situaci, kdy věci úplně končí.

Je možné doporučit, že když je MOSFET ve vypnutém stavu, je napětí brány udržováno pod VGS (th)úrovni, aby se zabránilo úniku proudu. Při jeho zapnutí však může být tento parametr jednoduše ignorován.

Charakteristická křivka přenosu

Najdete další křivkový diagram s názvem přenosové charakteristiky v datových listech MOSFET vysvětlujících chování při zapnutí v reakci na zvýšení napětí brány.

Abychom byli přesní, může to více souviset s analýzou kolísání proudu s ohledem na napětí hradla a teplotu skříně zařízení. V této analýze VDSje udržována na pevné úrovni, ale vysoké úrovni kolem 15 V, což nemusí být ve specifikacích datového listu odhaleno.

Charakteristická křivka přenosu MOSFET

Odkážeme-li na křivku, jak je znázorněno výše, uvědomíme si, že pro odběrový proud 20 A nemusí být napětí 3,2 V od zdroje ke zdroji adekvátní.

Kombinace by vedla k VDS 10 V typicky s rozptylem 200 wattů.

Data přenosové křivky mohou být užitečná pro MOSFET provozované v lineárním rozsahu, avšak data křivky mohou mít menší význam pro MOSFET v přepínacích aplikacích.

Výstupní charakteristiky

Křivka, která odhaluje skutečná data týkající se plně zapnutého stavu MOSFET, je známá jako výstupní křivka, jak je uvedeno níže:

Výstupní charakteristiky MOSFET

Tady, pro různé úrovně VGSvpřed pokles MOSFET se měří jako funkce proudu. Inženýři zařízení používají tato data křivky k potvrzení optimální úrovně napětí brány.

Pro každou úroveň hradlového napětí, které zajišťuje úplné zapnutí MOSFETu [RDS (zapnuto)], dostaneme rozsah poklesů napětí (VGS) napříč odběrem ke zdroji, který má striktně lineární odezvu s odběrovým proudem. Rozsah začíná od nuly a nahoru.

Pro nižší hradlová napětí (VGS), když se zvýší odtokový proud, zjistíme, že křivka ztrácí lineární odezvu, pohybuje se přes „koleno“ a poté jde naplocho.

Výše uvedené údaje o křivce nám poskytují kompletní výstupní charakteristiky pro rozsah hradlových napětí od 2,5 V do 3,6 V.

Uživatelé MOSFETu to obvykle mohou považovat za lineární funkci. Na rozdíl od toho však mohou inženýři zařízení upřednostňovat věnovat větší pozornost šedé oblasti grafu, která naznačuje aktuální oblast nasycení aplikovaného hradlového napětí.

Odhaluje aktuální data, která se dotkla bodu nasycení nebo limitu nasycení. V tomto bodě, pokud je VDSje zvýšen bude mít za následek nepatrné zvýšení proudu, ale malé zvýšení odtokového proudu může vést k mnohem většímu VDS.

Pro zvýšené úrovně hradlového napětí, které umožňují MOSFET plně zapnout, nám zelená stínovaná oblast ukáže pracovní bod procesu, označený jako odporová (nebo ohmická) oblast.

Pamatujte, že zde uvedené křivky zobrazují pouze typické hodnoty a neobsahují žádné minimální ani maximální hranice.

Při provozu při nižších okolních teplotách bude zařízení vyžadovat vyšší napětí hradla, aby zůstalo v odporové oblasti, což může stoupat rychlostí 0,3% / ° C.

Co je MOSFET RDS (zapnuto)

Když se inženýři zařízení musí setkat s výstupními charakteristikami MOSFET, budou se v zásadě chtít dozvědět více o R.DS (zapnuto)zařízení s ohledem na konkrétní provozní podmínky.

Obecně to může být směs VGSa jáDSpřes oblast, kde se křivka odchýlila od přímky do části označené šedým odstínem.

Vzhledem k výše diskutovanému příkladu, napětí brány 3,1 V s počátečním proudem 10 A, budou inženýři vědět, že RDS (zapnuto)bude mít tendenci být větší než odhadovaná hodnota. Očekáváme, že od výrobce MOSFET poskytneme přibližné údaje týkající se tohoto?

S oběma veličinami VDSa jáDSsnadno dosažitelný v křivce, může se stát příliš lákavým a často se vzdává, aby rozdělil dvě veličiny na výsledný RDS (zapnuto).

Bohužel však nemáme R.DS (zapnuto)pro posouzení zde. Zdá se, že pro uvedené situace není k dispozici, protože pro kteroukoli část zatížení představující odpor musí procházet počátkem lineárně.

To znamená, že je možné simulovat linii zatížení v agregované formě jako nelineární odpor.

To minimálně zaručí, že porozumění praktické práci bude udrženo na počátku (0, 0).

Charakteristika křivky hradlového náboje

Právě data křivky hradlového náboje nám ve skutečnosti dávají skutečnou nápovědu ohledně specifikací zapnutí MOSFET, jak je znázorněno na obrázku níže :

Charakteristika křivky hradlového náboje

Ačkoli je výše uvedená křivka standardním zahrnutím do všech datových listů MOSFET, základní indikace uživatel MOSFET málokdy pochopí.

Kromě toho moderní pokrok v rozložení MOSFET, jako je příkop a stíněné brány, vyžadují revidované adresování dat.

Například specifikace s názvem „gate-charge“ se může sama o sobě zdát mírně zavádějící.

Lineární a dělené úseky křivky se nezdají jako napětí nabíjející kondenzátor, bez ohledu na to, kolik nelineárních hodnot může vykazovat.

Přesněji řečeno, křivka hradlového náboje znamená přidružená data dvou neparalelních kondenzátorů, které mají rozdílné velikosti a nesou různé úrovně napětí.

Teoreticky je funkční kapacita, jak je vidět z terminálu brány MOSFET, definována pomocí rovnice:

Cje= C.gs+ C.gd

kde C.je= hradlová kapacita, Cgs= kapacita zdroje brány, Cgd= kapacita odtoku brány

Ačkoli se může zdát poměrně jednoduché měřit tuto jednotku a specifikovat ji v datových listech, je třeba poznamenat, že termín Cjeve skutečnosti není skutečná kapacita.

Může být zcela mylné si myslet, že MOSFET je ZAPNUT pouze pouhým napětím aplikovaným na kapacitě brány Cje'.

Schéma nabíjení kapacity hradla vybíjení

Jak je naznačeno na výše uvedeném obrázku, těsně předtím, než se MOFET ZAPNE, kapacita hradla nemá žádný náboj, ale kapacita na hradle-odtoku Cgdmá záporný náboj, který je třeba eliminovat.

Obě tyto kapacity mají nelineární povahu a jejich hodnoty se velmi liší, protože se mění použitá napětí.

Proto je důležité si uvědomit, že to jsou uložené náboje MOSFET, které určují jeho spínací charakteristiky, a nikoli hodnota kapacity pro konkrétní úroveň napětí.

Protože dva kapacitní prvky tvořící C.jemají různé fyzikální atributy, mají tendenci se nabíjet různými úrovněmi napětí, což vyžaduje, aby proces zapnutí MOSFET také prošel dvěma fázemi.

Přesná sekvence se může u odporových a indukčních aplikací lišit, ale obvykle je nejpraktičtější zátěž vysoce induktivní, proces lze simulovat, jak je znázorněno na následujícím obrázku:

Odezva zapnutí MOSFET pro indukční zátěž

Sekvence časování hradlového nabíjení

Sekvence časování nabíjení brány MOSFET lze studovat z níže uvedeného diagramu:

Otáčení brány

Lze to pochopit s následujícím vysvětlením:

  1. T0 - T1: Cgspoplatky od nuly do VGS (th)... PROTIDSnebo jáDSneprochází žádnými změnami.
  2. T1-T2, proud začíná stoupat v MOSFET v reakci na rostoucí napětí brány z VGS (th)až na plató napětí Vgp.
  3. Zde se IDS zvyšuje a dosahuje proudu při plném zatížení od 0 V, ačkoli VDSzůstává nedotčena a konstantní. Přidružený náboj je tvořen integrálem Cgsod 0 V do Vgpa Qgsuvedené v technických listech.
  4. T2 - T3: Sledujte plochou oblast mezi T2 a T3, jmenuje se Millerova plošina.
  5. Před zapnutím, Cgdnabíjí a udržuje až do napájecího napětí VV, dokud jáDSdosáhne vrcholové hodnoty I (zatížení) při T2.
  6. Čas mezi periodami T2 a T3, záporný náboj (VV- Vgp) se převede na kladný náboj vzhledem k plató napětí Vgp.
  7. To lze také vizualizovat jako pokles vypouštěcího napětí z VVna téměř téměř nulu.
  8. Poplatek se rovná přibližně Cgdintegrál od 0 do V.v, který je zobrazen jako Qgdv datových listech.
  9. Během T3 - T4 se napětí hradla vyšplhá z Vgpdo VGS, a zde pro V nenalezneme téměř žádnou změnuDSa jáDS, ale efektivní RDS (zapnuto)jak napětí brány stoupá, mírně klesá. Při určité úrovni napětí nad Vgp, poskytuje výrobcům dostatečnou jistotu pro stanovení horní meze efektivní hodnoty R.DS (zapnuto).

Pro indukční zatížení

Nárůst proudu v kanálu MOSFET v důsledku indukční zátěže je třeba dokončit, než napětí začne klesat.

Na začátku náhorní plošiny je MOSFET ve vypnutém stavu, v přítomnosti vysokého proudu a napětí přes odtok ke zdroji.

Mezi časem T2 a T3 je náboj Qgdse aplikuje na bránu MOSFET, kde se charakteristika MOSFET na konci transformuje z režimu konstantního proudu do režimu konstantního odporu.

Když dojde k výše uvedenému přechodu, není patrná žádná změna napětí brány Vgpkoná se.

To je důvod, proč nikdy není moudré spojit proces zapnutí MOSFET s konkrétní úrovní hradlového napětí.

Totéž může platit pro proces vypnutí, který vyžaduje, aby byly z brány MOSFET v opačném pořadí odstraněny stejné dva poplatky (popsané výše).

Rychlost přepínání MOSFET

Zatímco Qgsplus Qgdspolečně zajišťuje, že se MOSFET plně zapne, neříká nám o tom, jak rychle k tomu dojde.

O tom, jak rychle se přepne proud nebo napětí, rozhoduje rychlost, jakou jsou nabíjecí prvky v bráně aplikovány nebo odstraněny. To se také nazývá jako proud pohonu brány.

I když rychlý nárůst a pokles rychlosti zajišťuje nižší spínací ztráty v MOSFET, mohou také způsobit komplikace na úrovni systému související se zvýšeným špičkovým napětím, oscilacemi a elektromagnetickým rušením, zejména během vypínacích okamžiků indukční zátěže.

Lineárně klesající napětí zobrazené na výše uvedeném obr. 7 dokáže nabrat konstantní hodnotu Cgd, což se v praktických aplikacích MOSFETům může stát jen těžko.

Přesněji řečeno, odtok z brány Cgdpro vysokonapěťový super křižovatku MOSFET, jako je SiHF35N60E, vykazuje výrazně vysokou lineární odezvu, jak je vidět na následujícím obrázku:

Rychlost přepínání MOSFET

Variační rozsah, který existuje v hodnotě C.rss(zpětný přenos) je více než 200: 1 v rámci počátečních 100 V. Z tohoto důvodu se skutečný čas poklesu napětí proti křivce nabíjení hradla jeví spíše jako přerušovaná čára znázorněná červenou barvou na obrázku 7.

Při vyšších napětích jsou doby náběhu a doběhu nábojů spolu s jejich ekvivalentními hodnotami dV / dt více závislé na hodnotě Crss, místo integrálu celé křivky označeného jako Qgd.

Pokud uživatelé chtějí porovnávat specifikace MOSFET v různých designových prostředích, měli by si uvědomit, že MOSFET s polovinou Qgdhodnota nemusí nutně obsahovat dvakrát rychlejší spínací frekvenci nebo o 50% menší ztráty při spínání.

Je to proto, že podle C.gdkřivky a její velikosti při vyšších napětích, je docela možné, že MOSFET bude mít v datovém listu nízkou Qgd, ale bez jakéhokoli zvýšení rychlosti spínání.

Shrnutí

Ve skutečné implementaci se zapnutí MOSFET děje prostřednictvím řady procesů, a nikoli s předem stanoveným parametrem.

Designéři obvodů si musí přestat představovat, že VGS (th), nebo úrovně napětí by mohly být použity jako hradlové napětí pro přepínání výstupu MOSFET z vysokého na nízké RDS (zapnuto).

Může být marné přemýšlet o tom mít RDS (zapnuto)pod nebo nad určitou úrovní napětí brány, protože úroveň napětí brány rozhodně nezapíná zapnutí MOSFETu. Spíše jde o poplatky Qgsa Qgdzaveden do MOSFETu, který vykonává úlohu.

Zjistíte, že napětí brány stoupá nad VGS (th)a Vgpběhem procesu nabíjení / vybíjení, ale ty nejsou tak důležité.

Podobně, jak rychle se dnešní MOSFET může zapnout nebo vypnout, může být komplexní funkce Qgsnebo Qgd.

Pro vyhodnocení rychlostí přepínání MOSFET, zejména pokročilých MOSFET, musí návrhář projít komplexní studií týkající se nabíjecí křivky hradla a kapacitní charakteristiky zařízení.

Odkaz: https://www.vishay.com/




Předchozí: Přenosové charakteristiky Další: Datový list TL494, Pinout, aplikační obvody