A MOSFET bekapcsolási folyamatának megértése

A helyesen kiszámított MOSFET bekapcsolási folyamat biztosítja az eszköz optimális hatékonyságú bekapcsolását.

A MOSFET alapú áramkörök tervezése közben felmerülhetett a kérdés, hogy mi a helyes módja a MOSFET bekapcsolásának? Vagy egyszerűen mi az a minimális feszültség, amelyet a készülék kapun / forrásán át kell alkalmazni, hogy tökéletesen bekapcsolja?

Bár sok digitális rendszer esetében ez nem feltétlenül jelent problémát, az 5 V-os rendszerek, például a DSP-k, az FPGA-k és az Arduinos teljesítményük növelése az optimális kapcsolási feltételhez a csatlakoztatott MOSFET számára.

Ezekben a helyzetekben a tervező elkezdi vizsgálni a MOSFET specifikációit, hogy megkapja a küszöbfeszültségre vonatkozó adatokat. A tervező feltételezi, hogy a MOSFET bekapcsol és állapotot váltana, amikor ezt a küszöbértéket átlépik.

Ez azonban nem biztos, hogy olyan egyszerű, mint amilyennek látszik.

Mi az az V. küszöbfeszültség_{GS (th)}

Először is be kell látnunk, hogy a küszöbfeszültség, amelyet V-nek jelölünk_{GS (th)}nem az áramköri tervezőknek kell aggódniuk.

Pontosabban: a kapu feszültsége okozza, hogy a MOSFET lefolyó áramának átlépje a 250 μA küszöbszintet, és ezt olyan körülmények között tesztelik, amelyek a gyakorlati alkalmazások során soha nem fordulnak elő.

Bizonyos elemzés során állandó 5 V-ot használnak a készülék fent említett teszteléséhez. De ezt a tesztet általában úgy hajtják végre, hogy a kapu és az eszköz leeresztése egymással van összekötve vagy rövidzárlattal. Könnyedén megszerezheti ezeket az információkat magában az adatlapban, így ebben a tesztben nincs semmi titokzatos.

A fenti táblázat mutatja a küszöbszinteket és a vonatkozó vizsgálati feltételeket egy példa MOSFET esetében.

Egy kívánt alkalmazásnál a tervező aggódhat egy rettegett helyzet miatt, amelyet „indukált” kapufeszültségnek neveznek, ami komoly problémát jelenthet, például egy alacsony oldali MOSFET-ben. szinkron buck konverter .

Amint arról korábban tárgyaltunk, itt is meg kell értenünk, hogy az V. küszöb átlépése_{GS (th)}A szint nem kényszerítheti az eszközt arra, hogy átfutási hibás állapotba kerüljön. Ez a szint tulajdonképpen megmondja a tervezőnek azt a küszöböt, amelynél a MOSFET csak bekapcsol, és nem olyan helyzet, amikor a dolgok csak véget érnek.

Célszerű lehet, hogy amíg a MOSFET kikapcsolt állapotban van, a kapu feszültségét a V alatt tartják_{GS (th)}szinten, az áramszivárgás megakadályozása érdekében De bekapcsolásakor ezt a paramétert egyszerűen figyelmen kívül lehet hagyni.

Transzfer jelleggörbe

Talál egy másik görbe diagramot transzfer jellemzői a MOSFET adatlapokban, amelyek a bekapcsolt viselkedését magyarázzák a kapu feszültségének növekedésére reagálva.

Pontosabban ez inkább az áramváltozás elemzéséhez kapcsolódhat a kapu feszültsége és a készülékház hőmérséklete tekintetében. Ebben az elemzésben a V_DSrögzített szinten, de magas szinten, 15 V körül tartják, ami nem feltárható az adatlap specifikációiban.

Ha a fenti görbére hivatkozunk, akkor rájövünk, hogy 20 A-es lefolyóáram esetén a 3,2 V-os kapu-forrás feszültség nem biztos, hogy megfelelő.

A kombináció 10 V VDS-t eredményez, jellemzően 200 watt disszipációval.

Az átviteli görbe adatai hasznosak lehetnek a lineáris tartományban működtetett MOSFET-eknél, azonban a görbe adatoknak kevésbé lehet jelentősége a kapcsolási alkalmazásokban a MOSFET-ek számára.

Kimeneti jellemzők

A görbe, amely feltárja a MOSFET teljesen BE állapotára vonatkozó tényleges adatokat, kimeneti görbének nevezik, az alábbiak szerint:

Itt a V különböző szintjeire_GSa MOSFET előre csökkenését az áram függvényében mérjük. Az eszközmérnökök ezt a görbe adatot használják a kapu feszültségének optimális szintjének megerősítésére.

A kapufeszültség minden szintjéhez, amely biztosítja a MOSFET teljes bekapcsolását [R_{DS (be)}], kapunk egy feszültségesés tartományt (V_GS) szigorúan lineáris reakcióval a lefolyó áramával. A tartomány nullától felfelé kezdődik.

Alacsonyabb kapufeszültségekhez (V_GS), amikor a lefolyóáram megnövekszik, azt tapasztaljuk, hogy a görbe elveszíti a lineáris választ, a „térden” keresztül halad, majd síkra megy.

A fenti görbe-részletek a teljes kimeneti jellemzőket biztosítják a kapu feszültségtartományának 2,5 V és 3,6 V közötti tartományához.

A MOSFET felhasználók ezt általában lineáris függvénynek tekinthetik. Ezzel szemben az eszközmérnökök inkább odafigyelnek a grafikon szürke tartományára, amely az alkalmazott kapufeszültség jelenlegi telítettségi tartományát sugallja.

Feltárja az aktuális adatokat, amelyek megérintették a telítési pontot vagy a telítettségi határt. Ezen a ponton, ha a V_DSmegnövelve az áram marginális növekedését eredményezi, de a lefolyó áram kis növekedése sokkal nagyobb V-hez vezethet_DS.

A megnövelt kapufeszültség-szinteknél, amelyek lehetővé teszik a MOSFET teljes bekapcsolását, a zöld árnyékolt terület megmutatja a folyamat működési pontját, amelyet rezisztív (vagy ohmos) régióként jelölünk.

Felhívjuk figyelmét, hogy az itt szereplő görbék csak a tipikus értékeket mutatják, és nem tartalmaznak minimális vagy maximális határokat.

Míg alacsonyabb környezeti hőmérsékleten működik, a készüléknek nagyobb kapufeszültségre lesz szüksége, hogy az ellenállási tartományban maradjon, ami 0,3% / ° C sebességgel felfelé haladhat.

Mi az a MOSFET RDS (be)

Amikor az eszközmérnököknek találkozniuk kell a MOSFET kimeneti jellemzőivel, akkor lényegében meg akarják ismerni az R-t_{DS (be)}a készülék üzemi körülményeinek figyelembevételével.

Általában ez lehet a V keveréke_GSés én_DSazon a területen, ahol a görbe letért az egyenesről a szürke árnyalat által jelzett részre.

Figyelembe véve a fent tárgyalt példát, a 3,1 V kapufeszültséget 10 Amper kezdőárammal, a mérnökök tudni fogják, hogy az R_{DS (be)}általában nagyobb lesz, mint a becsült érték. Ezt követően elvárjuk, hogy a MOSFET gyártója hozzávetőleges adatokat szolgáltasson erről?

Mindkét V mennyiséggel_DSés én_DSa görbében könnyen megszerezhető, túl csábítóvá válhat, és gyakran átadják magának, hogy a kapott R mennyiséget elosztja_{DS (be)}.

Sajnos azonban nincs R betűnk_{DS (be)}az itteni értékeléshez. Úgy tűnik, hogy az említett helyzetekben nem érhető el, mivel a terhelési vonal az ellenállást képviselve lineáris módon kell áthaladnia az origón.

Ennek ellenére lehetséges lehet a terhelési vonal összesített formában történő szimulálása, mint egy nemlineáris ellenállás.

Ez legalább garantálja, hogy a gyakorlati munka megértése az eredetnél fennmarad (0, 0).

Kapu töltési görbe jellemzői

A kaputöltési görbe adatai adnak valódi tippet a MOSFET bekapcsolási jellemzőire vonatkozóan, az alábbi ábrán látható módon :

Noha a fenti görbe az összes MOSFET-adatlap szabványos része, a mögöttes jelzéseket a MOSFET-felhasználó ritkán érti.

Ezenkívül a MOSFET elrendezésének modern fejlődése, például árok és árnyékolt kapuk, az adatok átdolgozott címzését igénylik.

Például a „gate-charge” elnevezésű specifikáció önmagában kissé félrevezetőnek tűnhet.

A görbe lineáris és osztott szakaszai nem úgy néznek ki, mint egy kondenzátort feltöltő feszültség, függetlenül attól, hogy mekkora nemlineáris értéket mutathat.

Pontosabban: a kaputöltési görbe két nem párhuzamos kondenzátor kapcsolódó adatait jelzi, amelyek eltérő nagyságúak és eltérő feszültségszinteket hordoznak.

Elméletileg a funkcionális kapacitást a MOSFET kaputerminálról tanúskodva a következő egyenlettel határozzuk meg:

C_iss= C_gs+ C_gd

ahol C_iss= kapu kapacitása, C_gs= kapu forrás kapacitása, C_gd= a kapu leeresztő kapacitása

Bár meglehetősen egyszerűnek tűnik ennek az egységnek a mérése és meghatározása az adatlapokban, meg kell jegyezni, hogy a C kifejezés_issvalójában nem valódi kapacitás.

Teljesen téves lehet azt gondolni, hogy a MOSFET csak a 'kapu C kapacitására alkalmazott feszültségen keresztül kapcsol be_iss'.

Amint a fenti ábrán látható, közvetlenül a MOFET bekapcsolása előtt a kapu kapacitásának nincs töltése, de a C kapu lefolyónál a kapacitás_gdnegatív töltéssel rendelkezik, amelyet meg kell szüntetni.

Ezeknek a kapacitásoknak nem lineáris jellege van, és értékeik nagyban változnak, ahogy az alkalmazott feszültségek változnak.

Ezért fontos megjegyezni, hogy a MOSFET tárolt töltései határozzák meg kapcsolási jellemzőit, és nem egy adott feszültségszint kapacitási értéke.

Mivel a C-t alkotó két kapacitási elem_isskülönböző fizikai tulajdonságokkal rendelkeznek, hajlamosak feltöltődni különböző feszültségszintekkel, ezért a MOSFET bekapcsolási folyamatának két szakaszon is keresztül kell mennie.

A pontos sorrend eltérő lehet rezisztív és induktív alkalmazásoknál, de általában a legtöbb gyakorlati terhelés erősen induktív, ezért a folyamat szimulálható az alábbi ábrán látható módon:

Kapu töltés időzítési sorrendje

A MOSFET kaputöltési időzítési sorrendje az alábbi ábrán tanulmányozható:

Ez a következő magyarázattal érthető:

1. T0 - T1: C_gsnullától V-ig tölt_{GS (th)}... V_DSvagy én_DSnem megy át semmilyen változáson.
2. T1-T2, az áram emelkedni kezd a MOSFET-ben, reagálva a V kapu feszültségének növekedésére_{GS (th)}az V. fennsík feszültségig_gp.
3. Itt az IDS növekszik és 0 V-ról teljes terhelésű áramerősségre jut, bár V_DSváltozatlan marad és állandó. A kapcsolódó töltés a C integrálján keresztül alakul ki_gs0 V-tól V-ig_gpés Q_gsadatlapokon adott.
4. T2 - T3: Figyelje meg a T2 és T3 közötti sík területet, Miller-fennsíknak hívják.
5. A bekapcsolás előtt C_gdfeltölti és bírja a V tápfeszültséget_{BAN BEN}, amíg én_DST2-nél eléri az I (terhelés) csúcsértéket.
6. A T2 és T3 periódus közötti idő, a negatív töltés (V_{BAN BEN}- V_gp) pozitív töltéssé alakul át az V. platófeszültség vonatkozásában_gp.
7. Ez úgy is vizualizálható, mint a leeresztő feszültség esése V-ból_{BAN BEN}majdnem nullára.
8. Az érintett töltés egyenlő a C körül_gd0-tól V-ig integrál_{ban ben}, amelyet Q-ként mutatunk be_gdadatlapokban.
9. A T3 - T4 során a kapu feszültsége felfelé mászik V-ből_gphogy V_GS, és itt alig tapasztalunk változást V vonatkozásában_DSés én_DS, de a tényleges R_{DS (be)}a kapu feszültségének emelkedésével kissé csökken. Bizonyos V fölötti feszültségszintnél_gp, elegendő bizalmat biztosít a gyártóknak az effektív R felső határának rögzítéséhez_{DS (be)}.

Induktív terhelésekhez

Az induktív terhelés miatti áramnövekedést a MOSFET csatornán be kell fejezni, mielőtt a feszültség csökkenni kezdene.

A fennsík elején a MOSFET KI állapotban van, nagy áram és feszültség jelenlétében a csatornába vezetve.

A T2 és T3 időpont között Q töltés_gda MOSFET kapujára alkalmazzuk, ahol a MOSFET karakterisztika a végén állandó áramról állandó ellenállási módra alakul át.

Amikor a fenti átmenet megtörténik, a V kapu feszültségében nincs észrevehető változás_gpzajlik.

Ez az oka annak, hogy soha nem bölcs ötlet egy MOSFET bekapcsolási folyamatot a kapu feszültségének bármely meghatározott szintjéhez kapcsolni.

Ugyanez igaz a kikapcsolási folyamatra is, amely azt követeli, hogy ugyanazt a két töltést (korábban tárgyaltuk) ellentétes sorrendben távolítsuk el a MOSFET kapujából.

MOSFET kapcsolási sebesség

Míg Q_gsplusz Q_gdegyütt biztosítja, hogy a MOSFET teljesen bekapcsol, nem árul el minket arról, hogy ez milyen gyorsan fog bekövetkezni.

Hogy az áram vagy a feszültség milyen gyorsan változik, azt az sebesség határozza meg, amelyen keresztül a kapun lévő töltőelemeket alkalmazzák vagy eltávolítják. Ezt kapu meghajtó áramnak is nevezik.

Bár a gyors emelkedési és zuhanási sebesség alacsonyabb kapcsolási veszteségeket biztosít a MOSFET-ekben, ezek a rendszer szintjén jelentkező komplikációkat is okozhatnak a megnövekedett csúcsfeszültségekkel, rezgésekkel és elektromágneses interferenciákkal kapcsolatban, különösen az induktív terhelés kikapcsolási ideje alatt.

A fenti 7. ábrán bemutatott lineárisan csökkenő feszültség képes állandó Cgd értéket felvenni, ami a MOSFET-ekkel aligha fordulhat elő gyakorlati alkalmazásokban.

Pontosabban: a kapu-leeresztő töltés C_gdegy nagyfeszültségű szuper kereszteződésnél a MOSFET, mint például a SiHF35N60E, jelentősen magas lineáris választ mutat, amint az a következő ábrán látható:

A C értékében létező variációs tartomány_rss(fordított átvitel) meghaladja a 200: 1 értéket a kezdeti 100 V-on belül. Emiatt a kapu töltési görbéjével szembeni tényleges feszültségesési idő inkább a 7. ábrán piros színnel jelölt szaggatott vonalra hasonlít.

Nagyobb feszültség esetén a töltések emelkedési és zuhanási ideje, valamint azok egyenértékű dV / dt értéke jobban függ a C értékétől_rss, a Q-val jelölt egész görbe integrálja helyett_gd.

Amikor a felhasználók összehasonlítani szeretnék a MOSFET specifikációit a különböző tervezési környezetek között, fel kell ismerniük, hogy a MOSFET a Q_gdAz érték nem feltétlenül kétszer gyorsabb kapcsolási sebességet, vagy 50% -kal kisebb kapcsolási veszteséget jelent.

Ennek oka, hogy a C_gdgörbét és nagyságát nagyobb feszültségeknél, lehetséges, hogy egy MOSFET alacsony Qgd-értékkel rendelkezik az adatlapon, de a kapcsolási sebesség növekedése nélkül.

Összegezve

A tényleges megvalósítás során a MOSFET bekapcsolása folyamatok sorozatán keresztül történik, és nem előre meghatározott paraméterrel.

Az áramkörtervezőknek abba kell hagyniuk, hogy V_{GS (th)}, vagy feszültségszintek használhatók kapufeszültségként a MOSFET kimenet magasról alacsony R-re történő átkapcsolására_{DS (be)}.

Hiábavaló lehet R-re gondolni_{DS (be)}egy adott kapu feszültségszint alatt vagy felett, mivel a kapu feszültségszintje önmagában nem dönti el a MOSFET bekapcsolását. Inkább a Q vádjai_gsés Q_gdbevezették a munkát végrehajtó MOSFET-be.

A kapu feszültsége V fölé emelkedhet_{GS (th)}és V_gpa töltési / kisütési folyamat során, de ezek nem annyira fontosak.

Hasonlóképpen, a Q komplex függvénye lehet, hogy a mai MOSFET milyen gyorsan tud be- vagy kikapcsolni_gsvagy Q_gd.

A MOSFET kapcsolási sebességének, különösen a fejlett MOSFET-ek kiértékeléséhez a tervezőnek átfogó tanulmányt kell végeznie a kapu töltési görbéjével és az eszköz kapacitási jellemzőivel kapcsolatban.

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