Înțelegerea procesului de pornire MOSFET

Un proces de pornire MOSFET corect calculat asigură pornirea dispozitivului cu o eficiență optimă.

În timp ce proiectați circuite bazate pe MOSFET, v-ați fi putut întreba care este modul corect de a porni un MOSFET? Sau pur și simplu care este tensiunea minimă care ar trebui aplicată pe poartă / sursa dispozitivului pentru al porni perfect?

Deși pentru multe sisteme digitale acest lucru s-ar putea să nu fie o problemă, sistemele de 5V, cum ar fi DSP-uri, FPGA-uri și Arduinos necesită sporirea rezultatelor lor pentru condiții optime de comutare pentru MOSFET-ul conectat.

Și în aceste situații, proiectantul începe să se uite la specificațiile MOSFET pentru a obține datele de tensiune prag. Proiectantul presupune că MOSFET-ul ar porni și ar schimba starea atunci când acest nivel de prag este trecut.

Cu toate acestea, acest lucru nu poate fi atât de simplu pe cât pare să fie.

Ce este tensiunea prag V_{GS (a)}

În primul rând trebuie să ne dăm seama că tensiunea de prag, notată ca V_{GS (a)}nu este de grija proiectanților de circuite.

Pentru a fi precis, tensiunea de poartă este cea care determină curentul de scurgere al MOSFET-ului să treacă un nivel de prag de 250 μA și acest lucru este testat în condiții care nu ar putea să apară niciodată în mod normal în aplicații practice.

În timpul anumitor analize, se utilizează o constantă de 5V pentru testarea dispozitivului menționată mai sus. Dar acest test este implementat în mod normal cu poarta și canalul de scurgere al dispozitivului conectat sau scurtcircuitat unul cu celălalt. Puteți obține cu ușurință aceste informații în foaia de date în sine, deci nu există nimic misterios în acest test.

Tabelul de mai sus indică nivelurile de prag și condițiile de testare relevante pentru un exemplu MOSFET.

Pentru o aplicație dorită, proiectantul ar putea fi îngrijorat de o situație temută cunoscută sub numele de tensiune de poartă 'indusă', care poate fi o problemă serioasă, de exemplu, într-un MOSFET lateral convertor Buck sincron .

După cum sa discutat anterior, și aici trebuie să înțelegem că trecerea pragului V_{GS (a)}nivelul poate să nu forțeze dispozitivul să intre într-o stare de avarie. Acest nivel îi spune de fapt proiectantului cu privire la pragul la care MOSFET începe să pornească și nu este o situație în care lucrurile se termină complet.

Poate fi recomandabil ca, în timp ce MOSFET-ul este în starea OFF, tensiunea porții este menținută sub V_{GS (a)}nivel, pentru a preveni scurgerile de curent. Dar, în timp ce îl porniți, acest parametru poate fi pur și simplu ignorat.

Curba caracteristică de transfer

Veți găsi o altă diagramă curbă numită caracteristici de transfer în fișele tehnice MOSFET care explică comportamentul său de pornire ca răspuns la creșterea tensiunii porții.

Pentru a fi precis, acest lucru poate fi mai mult legat de analiza variației curentului cu privire la tensiunea porții și temperatura carcasei dispozitivului. În această analiză, V_DSeste menținut la un nivel fix, dar la un nivel ridicat, în jurul valorii de 15V, care poate să nu fie dezvăluit în specificațiile fișei tehnice.

Dacă ne referim la curba așa cum se arată mai sus, ne dăm seama că, pentru curent de scurgere de 20 Amp, este posibil ca tensiunea de la poartă la sursă de 3,2 V să nu fie adecvată.

Combinația ar avea ca rezultat un VDS de 10 V de obicei cu o disipare de 200 wați.

Datele curbei de transfer pot fi utile pentru MOSFET-urile operate în domeniul liniar, cu toate acestea datele curbei pot avea o semnificație mai mică pentru MOSFET-urile în aplicații de comutare.

Caracteristici de ieșire

Curba care dezvăluie datele reale privind starea complet pornită a unui MOSFET este cunoscută sub numele de curbă de ieșire așa cum se arată mai jos:

Aici, pentru diferitele niveluri de V_GSpicătura înainte a MOSFET-ului este măsurată în funcție de curent. Inginerii dispozitivelor folosesc aceste date de curbă pentru a confirma nivelul optim de tensiune a porții.

Pentru fiecare nivel de tensiune a porții care asigură o pornire completă a MOSFET-ului [R_{DS (activat)}], obținem o gamă de căderi de tensiune (V_GS) peste drenaj la sursă având un răspuns strict liniar cu curent de drenaj. Gama începe de la zero și în sus.

Pentru tensiuni mai mici ale porții (V_GS), când curentul de scurgere este crescut, găsim curba pierzând răspunsul liniar, deplasându-se prin „genunchi” și apoi mergând plat.

Detaliile curbei de mai sus ne oferă caracteristicile complete de ieșire pentru o gamă de tensiuni de poartă de la 2,5 V la 3,6 V.

Utilizatorii MOSFET pot considera în mod normal acest lucru ca funcție liniară. Cu toate acestea, in contrast, inginerii de dispozitive pot prefera să acorde mai multă atenție regiunii gri a graficului, care sugerează regiunea de saturație curentă pentru tensiunea aplicată a porții.

Acesta dezvăluie datele actuale care au atins punctul de saturație sau limita de saturație. În acest moment, dacă V_DSeste crescut va duce la o creștere marginală a curentului, dar o mică creștere a curentului de scurgere poate duce la un V mult mai mare_DS.

Pentru niveluri crescute de tensiune a porții, care permit MOSFET-ului să pornească complet, zona umbrită verde ne va arăta punctul de operare pentru proces, indicat ca regiune rezistivă (sau ohmică).

Vă rugăm să rețineți că curbele de aici arată numai valorile tipice și nu includ limite minime sau maxime.

În timp ce funcționează la temperaturi ambientale mai scăzute, dispozitivul va necesita o tensiune mai mare a porții pentru a rămâne în regiunea rezistivă, care poate crește cu o rată de 0,3% / ° C.

Ce este MOSFET RDS (activat)

Când inginerii de dispozitive trebuie să întâmpine caracteristicile de ieșire ale MOSFET-ului, vor dori în esență să afle despre R_{DS (activat)}a dispozitivului cu referire la condițiile specifice de funcționare.

În general, acesta poate fi un amestec de V_GSși eu_DSpeste zona în care curba s-a abătut de la linia dreaptă în porțiunea indicată de nuanța gri.

Având în vedere exemplul discutat mai sus, o tensiune a porții de 3,1 V cu un curent inițial de 10 Amperi, inginerii vor ști că R_{DS (activat)}va tinde să fie mai mare decât valoarea estimată. Acestea fiind spuse, ne așteptăm ca producătorul MOSFET să furnizeze date aproximative cu privire la acest lucru?

Cu ambele cantități V_DSși eu_DSușor de obținut în curbă poate deveni prea atrăgător și este adesea predat în, pentru a împărți cele două cantități la rezultatul R_{DS (activat)}.

Cu toate acestea, din păcate, nu avem un R_{DS (activat)}pentru evaluare aici. Se pare că nu este disponibil pentru situațiile menționate, deoarece pentru orice secțiune din linia de încărcare reprezentând o rezistență trebuie să traverseze originea într-o manieră liniară.

Acestea fiind spuse, poate fi posibilă simularea liniei de încărcare într-o formă agregată, ca o rezistență neliniară.

Cel puțin, acest lucru va garanta că orice înțelegere a funcționării practice este susținută la origine (0, 0).

Caracteristicile curbei de încărcare a porții

Datele curbei de încărcare a porții ne oferă de fapt un indiciu real cu privire la specificațiile de pornire ale MOSFET, așa cum se arată în figura de mai jos. :

Deși curba de mai sus este o includere standard în toate fișele tehnice MOSFET, indicațiile subiacente sunt rareori înțelese de către utilizatorul MOSFET.

Mai mult, evoluția modernă a aspectelor MOSFET, cum ar fi tranșeele și porțile ecranate, necesită o adresare revizuită a datelor.

De exemplu, specificația numită „gate-charge” poate părea ușor înșelătoare de la sine.

Secțiunile liniare și divizate ale curbei nu apar ca încărcarea tensiunii unui condensator, indiferent de câtă valoare neliniară poate prezenta.

Pentru a fi precis, curba de încărcare a porții semnifică o dată asociată a doi condensatori non paraleli, având magnitudini diferite și purtând niveluri de tensiune diferite.

În teorie, capacitatea funcțională așa cum este martor de la terminalul de poartă MOSFET este definită cu ecuația:

C_iss= C_gs+ C_Dumnezeule

unde C_iss= capacitate poartă, C_gs= capacitatea sursei de poartă, C_Dumnezeule= capacitatea de scurgere a porții

Deși poate părea destul de simplu să măsurăm această unitate și să specificăm în fișele tehnice, trebuie remarcat faptul că termenul C_issnu este de fapt o capacitate reală.

Poate fi complet greșit să ne gândim că un MOSFET este pornit doar printr-o tensiune aplicată pe capacitatea de poartă C_iss'.

Așa cum se indică în figura de mai sus, chiar înainte ca un MOFET să se aprindă, capacitatea porții nu are nicio încărcare, dar capacitatea la golirea porții C_Dumnezeuleare o sarcină negativă care trebuie eliminată.

Ambele capacități au o natură neliniară și valorile lor variază în mare măsură pe măsură ce tensiunile aplicate variază.

Prin urmare, este important de reținut că sarcinile stocate ale MOSFET determină caracteristicile sale de comutare și nu valoarea capacității pentru un anumit nivel de tensiune.

Întrucât cele două elemente de capacitate constituind C_issau atribute fizice diferite, au tendința de a fi încărcate cu niveluri de tensiune diferite, necesitând procesul de pornire a MOSFET-ului, de asemenea, să treacă prin două etape.

Secvența precisă poate fi diferită pentru aplicațiile rezistive și inductive, dar de obicei cele mai practice sarcini fiind extrem de inductive, procesul ar putea fi simulat așa cum este prezentat în figura următoare:

Secvența de sincronizare a încărcării porții

Secvențele de sincronizare a încărcării porții MOSFET pot fi studiate din diagrama de mai jos:

Poate fi înțeles cu următoarea explicație:

1. T0 - T1: C_gsse încarcă de la zero la V_{GS (a)}... V_DSsau eu_DSnu trece prin nicio modificare.
2. T1-T2, curentul începe să crească în MOSFET ca răspuns la creșterea tensiunii porții de la V._{GS (a)}până la tensiunea platoului V_gp.
3. Aici, IDS crește și ajunge la curentul complet de încărcare de la 0 V, deși V_DSrămâne neafectat și constant. Sarcina asociată se formează prin integrala lui C_gsde la 0 V la V_gp, și Q_gsprezentate în fișele tehnice.
4. T2 - T3: Observați regiunea plană dintre T2 și T3, se numește platoul Miller.
5. Înainte de pornire, C_Dumnezeulese încarcă și menține până la tensiunea de alimentare V_ÎN, până când eu_DSatinge valoarea de vârf I (sarcină) la T2.
6. Timpul dintre perioada T2 și T3, sarcina negativă (V_ÎN- V_gp) se transformă în sarcină pozitivă față de tensiunea platoului V_gp.
7. Acest lucru poate fi vizualizat și ca scăderea tensiunii de scurgere de la V._ÎNla aproape aproape zero.
8. Sarcina implicată este egală cu aproximativ C_Dumnezeuleintegral de la 0 la V_în, care este prezentat ca Q_Dumnezeuleîn fișele tehnice.
9. În timpul T3 - T4, tensiunea porții urcă de la V_gpla V_GS, și aici nu găsim aproape nicio schimbare pentru V_DSși eu_DS, dar efectivul R_{DS (activat)}scade ușor pe măsură ce crește tensiunea porții. La un anumit nivel de tensiune peste V_gp, oferă producătorilor suficientă încredere pentru a stabili limita superioară a R efectiv_{DS (activat)}.

Pentru sarcini inductive

Creșterea curentului în canalul MOSFET din cauza unei sarcini inductive trebuie finalizată înainte ca tensiunea să înceapă să scadă.

La începutul platoului, MOSFET-ul se află în starea OFF, în prezența unui curent și a unei tensiuni ridicate pe canalul de scurgere până la sursă.

Între T2 și T3, o încărcare Q_Dumnezeuleeste aplicat la poarta MOSFET, în care caracteristica MOSFET se transformă de la curent constant la modul de rezistență constantă la sfârșit.

Când se întâmplă tranziția de mai sus, nu există nicio modificare vizibilă a tensiunii de poartă V_gpare loc.

Acesta este motivul pentru care nu este niciodată o idee înțeleaptă să legați un proces de pornire MOSFET cu un anumit nivel de tensiune a porții.

Același lucru poate fi valabil și pentru procesul de oprire, care cere ca aceleași două taxe (discutate anterior) să fie eliminate de la poarta MOSFET în ordinea opusă.

Viteză de comutare MOSFET

În timp ce Q_gsplus Q_Dumnezeuleîmpreună se asigură că MOSFET-ul se va porni complet, nu ne spune despre cât de repede se va întâmpla acest lucru.

Cât de rapid va comuta curentul sau tensiunea este decisă de rata prin care elementele de încărcare de la poartă sunt aplicate sau eliminate. Aceasta este denumită și curentul unității de poartă.

Deși o rată de creștere și scădere rapidă asigură pierderi de comutare mai mici în MOSFET-uri, acestea pot da naștere și la complicații la nivel de sistem legate de creșterea tensiunilor de vârf, oscilațiilor și interferențelor electromagnetice, în special în timpul opririi instantelor de sarcină inductivă.

Tensiunea de cădere liniară descrisă în figura 7 de mai sus reușește să ia o valoare constantă a Cgd, ceea ce cu greu se poate întâmpla MOSFET-urilor în aplicații practice.

Pentru a fi precis, sarcina de golire a porții C_Dumnezeulepentru o super-joncțiune de înaltă tensiune, MOSFET, cum ar fi SiHF35N60E, prezintă un răspuns liniar semnificativ ridicat, așa cum se poate vedea în figura următoare:

Intervalul de variație care există în valoarea lui C_rss(transfer invers) este mai mare de 200: 1 în primele 100 V. Datorită acestui fapt, timpul efectiv de cădere a tensiunii împotriva curbei de încărcare a porții apare mai mult ca linia punctată prezentată în culoare roșie în figura 7.

La tensiuni mai mari, timpul de creștere și scădere a încărcăturilor, împreună cu valorile echivalente ale dV / dt sunt mai dependente de valoarea lui C_rss, în locul integralei întregii curbe indicate ca Q_Dumnezeule.

Când utilizatorii doresc să compare specificațiile MOSFET în diferite medii de proiectare, ar trebui să realizeze că MOSFET cu jumătate din Q_Dumnezeulevaloarea nu va include neapărat o rată de comutare de două ori mai mare sau cu 50% mai puține pierderi de comutare.

Acest lucru se datorează faptului că, conform C_Dumnezeulecurba și magnitudinea acesteia la tensiuni mai mari, poate fi foarte posibil ca un MOSFET să aibă un Qgd scăzut în foaia tehnică, dar fără nicio creștere a vitezei de comutare.

Rezumând

În implementarea reală, pornirea unui MOSFET are loc printr-o serie de procese și nu cu un parametru prestabilit.

Proiectanții de circuite trebuie să nu mai imagineze că V_{GS (a)}, sau nivelurile de tensiune ar putea fi utilizate ca tensiune de poartă pentru comutarea ieșirii MOSFET de la R ridicat la scăzut_{DS (activat)}.

Poate fi inutil să te gândești să ai un R_{DS (activat)}sub sau peste un anumit nivel de tensiune a porții, deoarece nivelul de tensiune a porții nu decide în mod intrinsec pornirea unui MOSFET. Mai degrabă sunt taxele Q_gsși Q_Dumnezeuleintrodus în MOSFET care execută jobul.

S-ar putea să găsiți tensiunea porții crescând peste V_{GS (a)}și V_gpîn timpul procesului de încărcare / descărcare, dar acestea nu sunt atât de importante.

La fel, cât de repede se poate porni sau opri MOSFET-ul de azi poate fi o funcție complexă a lui Q_gssau Q_Dumnezeule.

Pentru evaluarea vitezelor de comutare MOSFET, în special a MOSFET-urilor avansate, proiectantul trebuie să parcurgă un studiu cuprinzător privind curba de încărcare a porții și capacitatea caracteristică a dispozitivului.

Referinţă: https://www.vishay.com/