Porozumenie procesu zapnutia MOSFET

Správne vypočítaný proces zapnutia MOSFET zaisťuje, že je zariadenie zapnuté s optimálnou účinnosťou.

Pri navrhovaní obvodov založených na MOSFET vás mohlo zaujímať, aký je správny spôsob zapnutia MOSFET? Alebo jednoducho, aké je minimálne napätie, ktoré by malo byť privedené cez bránu / zdroj zariadenia, aby sa zariadenie dokonale zaplo?

Aj keď to pre mnoho digitálnych systémov nemusí byť problém, 5V systémy ako DSP, FPGA a Arduinos vyžadujú zvyšovanie ich výstupov pre optimálny stav spínania pre pripojený MOSFET.

A v týchto situáciách návrhár začne skúmať špecifikácie MOSFETu, aby získal údaje o prahovom napätí. Návrhár predpokladá, že MOSFET by sa pri prekročení tejto prahovej úrovne zapol a zmenil stav.

To však nemusí byť také jednoduché, ako sa zdá.

Čo je prahové napätie V_{GS (th)}

Najskôr si musíme uvedomiť, že prahové napätie, označené ako V_{GS (th)}nie je na starosť návrhárov obvodov.

Aby sme boli presní, je to hradlové napätie, ktoré spôsobí, že odtokový prúd MOSFETu prekročí prahovú hladinu 250 μA a toto je testované za podmienok, ktoré by sa v praktických aplikáciách bežne nikdy nemohli prejaviť.

Počas určitej analýzy sa na vyššie uvedené testovanie zariadenia používa konštantná hodnota 5 V. Ale táto skúška sa zvyčajne vykonáva pri vzájomnom prepojení alebo skratovaní brány a odtoku zariadenia. Tieto informácie môžete ľahko získať v samotnom údajovom liste, takže na tomto teste nie je nič tajomného.

V tabuľke vyššie sú uvedené prahové úrovne a príslušné podmienky testu pre príklad MOSFET.

Pre požadovanú aplikáciu sa návrhár môže obávať strašnej situácie známej ako „indukované“ hradlové napätie, čo môže byť vážnym problémom napríklad pri nízkej hodnote MOSFET synchrónny prevodník dolárov .

Ako sme už diskutovali, aj tu musíme pochopiť, že prekročenie prahu V_{GS (th)}hladina nemusí prinútiť zariadenie, aby narazilo na poruchu pri prelomení. Táto úroveň v skutočnosti hovorí dizajnérovi o prahovej hodnote, pri ktorej sa MOSFET iba začína zapínať, a nejde o situáciu, keď sa veci úplne skončia.

Môže byť odporúčané, že pokiaľ je MOSFET vo vypnutom stave, je hradlové napätie udržiavané pod V_{GS (th)}úrovni, aby sa zabránilo úniku prúdu. Ale pri zapnutí môže byť tento parameter jednoducho ignorovaný.

Charakteristická krivka prenosu

Nájdete ďalší krivkový diagram s názvom prenosové charakteristiky v údajových listoch MOSFET vysvetľujúcich jeho správanie pri zapnutí v reakcii na zvýšenie napätia hradla.

Aby sme boli presní, môže to viac súvisieť s analýzou kolísania prúdu, pokiaľ ide o napätie hradla a teplotu skrinky zariadenia. V tejto analýze sa V_DSje udržiavaná na pevnej, ale vysokej úrovni, okolo 15 V, čo sa nemusí prejaviť v špecifikáciách údajového listu.

Ak sa pozrieme na krivku, ako je to znázornené vyššie, uvedomíme si, že pre odtokový prúd 20 A nemusí byť 3,2 V napätie od zdroja k zdroju adekvátne.

Výsledkom tejto kombinácie by bol VDS 10 V typicky s rozptylom 200 wattov.

Údaje krivky prenosu môžu byť užitočné pre MOSFET prevádzkované v lineárnom rozsahu, avšak údaje krivky môžu mať menší význam pre MOSFET v prepínacích aplikáciách.

Výstupné charakteristiky

Krivka, ktorá odhaľuje skutočné údaje týkajúce sa stavu úplného zapnutia MOSFET, je známa ako výstupná krivka, ako je uvedené nižšie:

Tu pre rôzne úrovne V_GSpriamy pokles MOSFET sa meria ako funkcia prúdu. Inžinieri zariadení používajú tieto dáta krivky na potvrdenie optimálnej úrovne hradlového napätia.

Pre každú úroveň hradlového napätia, ktoré zaisťuje úplné zapnutie MOSFETU [R_{DS (zapnuté)}], dostaneme rozsah poklesov napätia (V_GS) cez odtok k zdroju, ktorý má striktne lineárnu odozvu s odtokovým prúdom. Rozsah začína od nuly a vyššie.

Pre nižšie hradlové napätia (V_GS), keď sa zvýši odtokový prúd, zistíme, že krivka stráca lineárnu odozvu, pohybuje sa cez „koleno“ a potom ide naplocho.

Vyššie uvedené údaje o krivke nám poskytujú kompletné výstupné charakteristiky pre rozsah hradlových napätí od 2,5 V do 3,6 V.

Používatelia MOSFET to môžu normálne považovať za lineárnu funkciu. Avšak na rozdiel od toho môžu inžinieri zariadení venovať väčšiu pozornosť šedej oblasti grafu, ktorá naznačuje aktuálnu oblasť nasýtenia použitého hradlového napätia.

Odhaľuje aktuálne údaje, ktoré sa dotkli bodu nasýtenia alebo limitu nasýtenia. V tomto okamihu, ak je V_DSzvýšený bude mať za následok nepatrné zvýšenie prúdu, ale malé zvýšenie odtokového prúdu môže viesť k oveľa väčšiemu V_DS.

Pre zvýšené úrovne napätia na hradle, ktoré umožňujú MOSFET plne sa ZAPNÚŤ, nám zelená zatienená oblasť ukáže prevádzkový bod procesu, označený ako odporová (alebo ohmická) oblasť.

Upozorňujeme, že krivky tu zobrazujú iba typické hodnoty a nezahŕňajú žiadne minimálne alebo maximálne hranice.

Keď je zariadenie v prevádzke pri nižších teplotách okolia, bude na udržanie v odporovej oblasti vyžadovať vyššie hradlové napätie, ktoré sa môže zvyšovať rýchlosťou 0,3% / ° C.

Čo je MOSFET RDS (zapnuté)

Keď musia inžinieri zariadení naraziť na výstupné charakteristiky MOSFET, budú sa v podstate chcieť dozvedieť viac o R._{DS (zapnuté)}zariadenia s ohľadom na konkrétne prevádzkové podmienky.

Spravidla to môže byť zmes V_GSa ja_DScez oblasť, kde sa krivka odklonila od priamky, do časti označenej sivým odtieňom.

Ak vezmeme do úvahy príklad diskutovaný vyššie, hradlové napätie 3,1 V s počiatočným prúdom 10 A, inžinieri budú vedieť, že R_{DS (zapnuté)}bude mať tendenciu byť vyššia ako odhadovaná hodnota. Očakávame teda od výrobcu MOSFET, že k tomu poskytne približné údaje?

S oboma veličinami V_DSa ja_DSľahko dostupné v krivke, môže sa stať príliš lákavým a často sa ho vzdáva na to, aby sa dve veličiny rozdelili na výslednú R_{DS (zapnuté)}.

Bohužiaľ však nemáme R._{DS (zapnuté)}na posúdenie tu. Zdá sa, že pre uvedené situácie nie je k dispozícii, pretože pre ktorúkoľvek časť dokumentu záťažová čiara predstavujúci odpor musí lineárne prechádzať cez počiatok.

To znamená, že je možné simulovať čiaru zaťaženia v agregovanej podobe ako nelineárny odpor.

Prinajmenšom to zaručí, že akékoľvek pochopenie praktickej práce sa udrží na počiatku (0, 0).

Charakteristika krivky hradlového náboja

Práve dáta krivky hradlového náboja nám skutočne poskytujú skutočný tip, pokiaľ ide o zapnuté parametre MOSFET, ako je to znázornené na obrázku nižšie. :

Aj keď je vyššie uvedená krivka štandardným zahrnutím do všetkých údajových listov MOSFET, používateľ MOSFET základné indikácie málokedy pochopí.

Navyše moderný pokrok v usporiadaní MOSFET, ako sú priekopy a tienené brány, si vyžaduje revidované adresovanie údajov.

Napríklad špecifikácia s názvom „gate-charge“ sa môže zdať sama osebe mierne zavádzajúca.

Lineárne a delené úseky krivky sa nejavia ako napätie nabíjajúce kondenzátor bez ohľadu na to, koľko nelineárnych hodnôt môže vykazovať.

Aby sme boli presní, krivka nabíjania hradla označuje súvisiace údaje dvoch neparalelných kondenzátorov, ktoré majú rozdielne veľkosti a nesú rôzne úrovne napätia.

Teoreticky je funkčná kapacita, ako je zrejmé z terminálu brány MOSFET, definovaná rovnicou:

C._iss= C._gs+ C._gd

kde C_iss= hradlová kapacita, C_gs= kapacita zdroja brány, C_gd= kapacita odtoku brány

Aj keď sa môže javiť pomerne jednoduché merať túto jednotku a špecifikovať ju v údajových listoch, je potrebné poznamenať, že výraz C_issnie je skutočná kapacita.

Môže byť úplne nesprávne si myslieť, že MOSFET je ZAPNUTÝ iba napätím privedeným na „kapacitu hradla C“_iss'.

Ako je znázornené na vyššie uvedenom obrázku, tesne pred zapnutím MOFET nie je kapacita hradla nabitá, ale kapacita pri odtoku brány C_gdmá záporný náboj, ktorý je potrebné vylúčiť.

Obidve tieto kapacity majú nelineárny charakter a ich hodnoty sa značne líšia, pretože sa líšia použité napätia.

Preto je dôležité si uvedomiť, že to sú uložené náboje MOSFETu, ktoré určujú jeho spínacie charakteristiky, a nie hodnota kapacity pre konkrétnu úroveň napätia.

Pretože dva kapacitné prvky tvoriace C_issmajú rôzne fyzikálne atribúty, majú tendenciu nabíjať sa rôznymi úrovňami napätia, čo si vyžaduje, aby proces zapnutia MOSFET prešiel aj dvoma fázami.

Presná sekvencia sa môže líšiť pre odporové a indukčné aplikácie, ale zvyčajne je najpraktickejšie zaťaženie vysoko indukčné, proces je možné simulovať, ako je znázornené na nasledujúcom obrázku:

Sekvencia časovania hradlového nabíjania

Sekvencie časovania hradlového nabíjania MOSFETu je možné študovať z nasledujúceho diagramu:

Možno to pochopiť nasledujúcim vysvetlením:

1. T0 - T1: C_gspoplatky od nuly do V_{GS (th)}... V._DSalebo ja_DSneprechádza žiadnymi zmenami.
2. T1-T2, prúd začne stúpať v MOSFET v reakcii na zvyšujúce sa hradlové napätie z V_{GS (th)}do plató napätia V_gp.
3. Tu IDS stúpa a dosahuje prúd pri plnom zaťažení od 0 V, hoci V_DSzostáva nedotknutá a stála. Pridružený náboj je tvorený integrálom C_gsod 0 V do V_gpa Q_gsuvedených v údajových listoch.
4. T2 - T3: Sledujte plochú oblasť medzi T2 a T3, volá sa to Millerova plošina.
5. Pred zapnutím, C_gdnabíja a drží až do napájacieho napätia V_IN, kým ja_DSdosiahne špičkovú hodnotu I (zaťaženie) pri T2.
6. Čas medzi obdobím T2 a T3, záporný náboj (V_IN- V_gp) sa prevedie na kladný náboj vzhľadom na plató napätie V_gp.
7. To možno tiež vizualizovať ako pokles odtokového napätia z V_INokolo takmer nuly.
8. Poplatok je rovný približne C_gdintegrál od 0 do V_v, ktorá sa zobrazuje ako Q_gdv údajových listoch.
9. Počas T3 - T4 sa napätie hradla šplhá z V_gpdo V_GS, a tu pre V nenájdeme takmer žiadnu zmenu_DSa ja_DS, ale efektívny R_{DS (zapnuté)}so zvyšovaním napätia brány mierne klesá. Pri určitej úrovni napätia nad V_gp, poskytuje výrobcom dostatočnú dôveru na stanovenie hornej hranice účinnej hodnoty R._{DS (zapnuté)}.

Pre indukčné zaťaženie

Nárast prúdu v MOSFET kanáli v dôsledku indukčnej záťaže je potrebné dokončiť skôr, ako začne napätie klesať.

Na začiatku plošiny je MOSFET v stave VYPNUTÉ, v prítomnosti vysokého prúdu a napätia cez odtok k zdroju.

Medzi časom T2 a T3 je náboj Q_gdsa aplikuje na bránu MOSFET, pričom charakteristika MOSFET sa na konci transformuje z režimu konštantného prúdu do režimu konštantného odporu.

Keď dôjde k uvedenému prechodu, nie je badateľná zmena napätia brány V_gpodohráva sa.

To je dôvod, prečo nikdy nie je rozumné spájať proces zapnutia MOSFET s určitou úrovňou hradlového napätia.

To isté môže platiť pre proces vypnutia, ktorý vyžaduje, aby boli z brány MOSFET v opačnom poradí vylúčené rovnaké dva poplatky (o ktorých sme hovorili vyššie).

Rýchlosť prepínania MOSFET

Zatiaľ čo Q_gsplus Q_gdspoločne zaisťuje, že sa MOSFET úplne zapne, nehovorí nám o tom, ako rýchlo sa to stane.

O tom, ako rýchlo sa prepne prúd alebo napätie, rozhoduje rýchlosť, ktorou sa nabíjacie prvky na hradle aplikujú alebo odstraňujú. Toto sa tiež nazýva ako prúd pohonu brány.

Aj keď rýchly nárast a pokles rýchlosti zaisťuje nižšie spínacie straty v MOSFET, môžu tiež spôsobiť komplikácie na úrovni systému súvisiace so zvýšeným špičkovým napätím, osciláciami a elektromagnetickým rušením, najmä počas vypínania indukčnej záťaže.

Lineárne klesajúce napätie zobrazené na vyššie uvedenom obrázku 7 dokáže brať konštantnú hodnotu Cgd, čo sa v praktických aplikáciách pre MOSFET môže ťažko stať.

Aby sme boli presní, náplň brány a odtoku C_gdpre vysokonapäťový super križovatku MOSFET, ako je SiHF35N60E, vykazuje výrazne vysokú lineárnu odozvu, ako je možné vidieť na nasledujúcom obrázku:

Rozsah variácií, ktorý existuje v hodnote C._rss(spätný prenos) je viac ako 200: 1 v rámci počiatočných 100 V. Z tohto dôvodu sa skutočný čas poklesu napätia oproti krivke nabíjania brány javí viac ako prerušovaná čiara znázornená červenou farbou na obrázku 7.

Pri vyšších napätiach sú doby nábehu a poklesu poplatkov spolu s ich ekvivalentnými hodnotami dV / dt viac závislé od hodnoty C_rss, namiesto integrálu celej krivky označeného ako Q_gd.

Keď chcú používatelia porovnávať špecifikácie MOSFET v rámci rôznych dizajnových prostredí, mali by si uvedomiť, že MOSFET s polovicou Q_gdhodnota nemusí nutne obsahovať dvakrát vyššiu rýchlosť spínania alebo o 50% menej strát spínania.

Je to preto, lebo podľa C._gdkrivka a jej veľkosť pri vyšších napätiach, je celkom možné, že MOSFET bude mať v údajovom liste nízku hodnotu Qgd, ale bez zvýšenia rýchlosti prepínania.

Zhrnutie

V skutočnej implementácii sa zapnutie MOSFET deje pomocou série procesov, a nie s vopred určeným parametrom.

Dizajnéri obvodov si musia prestať predstavovať, že V_{GS (th)}alebo úrovne napätia by sa mohli použiť ako hradlové napätie na prepínanie výstupu MOSFET z vysokého na nízke R_{DS (zapnuté)}.

Môže byť zbytočné premýšľať o tom, že máte R._{DS (zapnuté)}pod alebo nad konkrétnou úrovňou napätia brány, pretože úroveň napätia brány vo svojej podstate nerozhoduje o zapnutí MOSFETU. Skôr sú to poplatky Q_gsa Q_gdzavedené do MOSFET, ktoré úlohu vykonávajú.

Možno zistíte, že napätie brány stúpa nad V_{GS (th)}a V_gppočas procesu nabíjania / vybíjania, ale tieto nie sú také dôležité.

Rovnako tak, ako rýchlo sa dnešný deň MOSFET môže zapnúť alebo vypnúť, môže byť komplexnou funkciou Q_gsalebo Q_gd.

Na vyhodnotenie rýchlostí prepínania MOSFET, najmä pokročilých MOSFET, musí projektant prejsť komplexnou štúdiou ohľadom krivky nabíjania hradla a kapacitnej charakteristiky zariadenia.

Referencia: https://www.vishay.com/