Razumevanje postopka vklopa MOSFET-a

Pravilno izračunan postopek vklopa MOSFET zagotavlja, da je naprava vklopljena z optimalno učinkovitostjo.

Med načrtovanjem vezij, ki temeljijo na MOSFET-u, ste se morda vprašali, kakšen je pravilen način vklopa MOSFET-a? Ali preprosto kakšna je najmanjša napetost, ki jo je treba uporabiti na vratih / viru naprave, da jo popolnoma vklopite?

Čeprav pri številnih digitalnih sistemih to morda ne bo problem, 5V sistemi, kot so DSP, FPGA in Arduinos, zahtevajo povečanje njihovih rezultatov za optimalne preklopne pogoje za priključeni MOSFET.

In v teh primerih oblikovalec začne preučevati specifikacije MOSFET-a, da dobi podatke o pragu napetosti. Oblikovalec predpostavlja, da bi se MOSFET vklopil in spremenil stanje, ko je ta prag presežen.

Vendar to morda ni tako preprosto, kot se zdi.

Kaj je prag napetosti V_{GS (th)}

Najprej se moramo zavedati, da je mejna napetost, označena z V_{GS (th)}ni za zaskrbljevalce vezij.

Natančneje, napetost na vratih je tista, ki povzroči, da odtočni tok MOSFET-a preseže mejno vrednost 250 μA, in to je preizkušeno v pogojih, ki se v praksi morda nikoli ne izkažejo.

Med določenimi analizami se za zgoraj omenjeno preskušanje naprave uporabi konstanta 5V. Toda ta preizkus se običajno izvede, ko so vrata in odtok naprave med seboj povezani ali kratko povezani. Te podatke lahko enostavno dobite v samem obrazcu, zato ta test ni nič skrivnostnega.

Zgornja tabela prikazuje mejne vrednosti in ustrezne preskusne pogoje za primer MOSFET.

Za želeno aplikacijo bi oblikovalca morda skrbelo strašno stanje, znano kot 'inducirana' napetost vrat, kar je lahko resna težava, na primer pri nizkem bočnem MOSFET-u sinhroni pretvornik .

Kot smo že omenili, moramo tudi tu razumeti, da prestop praga V_{GS (th)}raven morda ne bo prisilila naprave, da bi prišla do stanja probojnosti. Ta raven dejansko pove oblikovalcu glede praga, pri katerem se MOSFET šele začne vklopiti, in ni situacija, ko se stvari povsem končajo.

Priporočljivo je, da je MOSFET v izklopljenem stanju napetost vrat pod V_{GS (th)}ravni, da se prepreči uhajanje toka. Toda med vklopom lahko ta parameter preprosto prezrete.

Krivulja prenosa

Našli boste še en diagram krivulje z imenom značilnosti prenosa v obrazcih MOSFET, ki pojasnjujejo njegovo vklopljeno vedenje kot odziv na naraščajočo napetost vrat.

Natančneje, to je lahko bolj povezano z analizo variacije toka glede na napetost vrat in temperaturo ohišja naprave. V tej analizi je V_DSje na fiksni ravni, vendar na visoki ravni, okoli 15 V, kar morda ne bo razkrito v tehničnih podatkih.

Če se sklicujemo na krivuljo, kot je prikazano zgoraj, se zavedamo, da za odvodni tok 20 Amp napetost 3,2 V od vira do vira morda ne bo ustrezna.

Kombinacija bi povzročila VDS 10 V, običajno z odvajanjem 200 vatov.

Podatki krivulje prenosa so lahko koristni za MOSFET-je, ki delujejo v linearnem območju, vendar imajo lahko podatki o krivuljah manj pomemben pomen za MOSFET-je v preklopnih aplikacijah.

Izhodne značilnosti

Krivulja, ki razkriva dejanske podatke o stanju popolnoma vklopljenega MOSFET-a, je znana kot izhodna krivulja, kot je prikazano spodaj:

Tukaj je za različne ravni V_GSpadec MOSFET-a naprej se meri v odvisnosti od toka. Inženirji naprav uporabljajo te podatke krivulje za potrditev optimalne ravni napetosti vrat.

Za vsako stopnjo napetosti vrat, ki zagotavlja popoln vklop MOSFET-a [R_{DS (vklopljeno)}], dobimo vrsto padcev napetosti (V_GS) čez odtok do vira s strogo linearnim odzivom z odtočnim tokom. Razpon se začne od nič naprej.

Za nižje napetosti vrat (V_GS), ko se odtočni tok poveča, ugotovimo, da krivulja izgubi linearni odziv, se premika skozi 'koleno' in nato gre ravno.

Zgornje podrobnosti krivulje nam zagotavljajo celotne izhodne značilnosti za območje napetosti vrat od 2,5 V do 3,6 V.

Uporabniki MOSFET-a lahko to običajno razmišljajo kot linearno funkcijo. V nasprotju s tem pa lahko inženirji naprav raje posvetijo več pozornosti sivi regiji grafa, ki kaže na trenutno območje nasičenosti uporabljene napetosti vrat.

Razkriva trenutne podatke, ki so se dotaknili točke nasičenja ali meje nasičenosti. Na tej točki, če je V_DSče se poveča, bo tok le malo povečal, vendar lahko majhno povečanje odtočnega toka privede do veliko večjega V_DS.

Za povečane ravni napetosti na vratih, ki omogočajo, da se MOSFET popolnoma vklopi, nam zeleno zasenčeno območje prikaže delovno točko procesa, označeno kot uporovno (ali ohmično) območje.

Upoštevajte, da krivulje tukaj prikazujejo samo tipične vrednosti in ne vključujejo nobenih minimalnih ali največjih meja.

Med delovanjem pri nižjih temperaturah okolja bo naprava potrebovala višjo napetost vrat, da ostane v uporovnem območju, ki se lahko dvigne s hitrostjo 0,3% / ° C.

Kaj je MOSFET RDS (vklopljen)

Ko se morajo inženirji naprav srečati z izhodnimi značilnostmi MOSFET-a, bodo v bistvu želeli izvedeti več o R-ju_{DS (vklopljeno)}naprave glede na posebne pogoje delovanja.

Na splošno je to lahko mešanica V_GSin jaz_DSčez območje, kjer je krivulja odstopila od ravne črte v del, ki ga označuje siva senca.

Glede na zgoraj obravnavani primer, napetost vrat 3,1 V z začetnim tokom 10 amperov, bodo inženirji vedeli, da R_{DS (vklopljeno)}bo ponavadi večja od ocenjene vrednosti. Ali smo po tem povedali, da bo proizvajalec MOSFET predložil približne podatke o tem?

Pri obeh količinah V_DSin jaz_DSzlahka dosegljiv v krivulji, lahko postane preveč vabljiv in se pogosto preda, da bi dve količini delili na nastalo R_{DS (vklopljeno)}.

Vendar na žalost nimamo R_{DS (vklopljeno)}za oceno tukaj. Zdi se, da za omenjene primere ni na voljo, ker za noben odsek tovorni vod ki predstavlja odpornost, mora linearno prečkati izvor.

Kljub temu je mogoče tovorno črto simulirati v agregirani obliki, kot je nelinearen upor.

To bo vsaj zagotovilo, da se razumevanje praktičnega dela ohrani v izvoru (0, 0).

Značilnosti krivulje polnjenja vrat

Podatki o krivulji napolnjenosti vrat so tisti, ki nam dejansko dajejo pravi namig glede vklopa specifikacij MOSFET-a, kot je prikazano na spodnji sliki :

Čeprav je zgornja krivulja standardna vključitev v vse podatkovne liste MOSFET, uporabnik MOSFET-a le redko razume osnovne indikacije.

Poleg tega sodobni napredek v postavitvah MOSFET, kot so jarki in zaščitena vrata, zahteva revidirano naslavljanje podatkov.

Na primer, specifikacija z imenom 'gate-charge' se lahko zdi nekoliko zavajajoča.

Linearni in razdeljeni odseki krivulje niso videti kot napetost, ki polni kondenzator, ne glede na to, koliko nelinearne vrednosti lahko kaže.

Natančneje, krivulja polnjenja vrat pomeni povezane podatke dveh nevzporednih kondenzatorjev z različno velikostjo in različno napetostjo.

V teoriji je funkcionalna kapacitivnost, kot je bila priča s terminala vrat MOSFET, definirana z enačbo:

C_št= C_gs+ C_gd

kjer je C_št= kapacitivnost vrat, C_gs= kapacitivnost vira vrat, C_gd= odtočna kapacitivnost vrat

Čeprav je morda enoto za merjenje in določitev v obrazcih precej enostavno, je treba opozoriti, da izraz C_štdejansko ni resnična kapacitivnost.

Morda je povsem napačno misliti, da je MOSFET vklopljen zgolj z napetostjo, ki deluje na 'kapacitivnost vrat'_št'.

Kot je prikazano na zgornji sliki, tik preden se MOFET vklopi, kapacitivnost vrat nima naboja, ampak kapacitivnost na odtoku C_gdima negativni naboj, ki ga je treba odstraniti.

Obe kapacitivnosti imata nelinearno naravo in njuni vrednosti se v veliki meri spreminjata, ko se uporabljajo napetosti.

Zato je pomembno opozoriti, da shranjeni naboji MOSFET-a določajo njegove preklopne značilnosti in ne vrednost kapacitivnosti za določeno napetostno stopnjo.

Ker sta dva kapacitivna elementa, ki tvorita C_štimajo različne fizikalne lastnosti, se običajno napolnijo z različnimi napetostnimi ravnmi, kar zahteva, da postopek vklopa MOSFET-a poteka tudi v dveh fazah.

Natančno zaporedje je lahko različno za uporovne in induktivne aplikacije, vendar je običajno najbolj praktična obremenitev zelo induktivna, postopek pa lahko simuliramo, kot je prikazano na naslednji sliki:

Zaporedje časovnega polnjenja vrat

Zaporedja časa polnjenja vrat MOSFET-a lahko preučite na spodnjem diagramu:

To lahko razumemo z naslednjo razlago:

1. T0 - T1: C_gspolni od nič do V_{GS (th)}... V_DSali jaz_DSne gre skozi nobene spremembe.
2. T1-T2 se tok začne povečevati v MOSFET-u kot odgovor na naraščajočo napetost vrat od V_{GS (th)}do napetosti platoja V_gp.
3. Tu se IDS poveča in doseže tok polne obremenitve od 0 V, čeprav je V_DSostaja nespremenjena in stalna. Povezani naboj se tvori skozi integral C_gsod 0 V do V_gpin Q_gspodanih v obrazcih.
4. T2 - T3: Opazujte ravno območje med T2 in T3, imenuje se Millerjeva planota.
5. Pred vklopom stikala C_gdpolni in drži do napajalne napetosti V_IN, dokler jaz_DSdoseže najvišjo vrednost I (obremenitev) pri T2.
6. Čas med obdobjema T2 in T3, negativni naboj (V_IN- V_gp) se pretvori v pozitivni naboj glede na napetost platoja V_gp.
7. To si lahko predstavljamo tudi kot padec odtočne napetosti z V_INna skoraj nič.
8. Vključeni naboj je enak približno C_gdintegral od 0 do V_v, ki je prikazan kot Q_gdv obrazcih.
9. Med T3 - T4 se napetost vrat dvigne od V_gpdo V_GS, in tu skoraj ne najdemo nobene spremembe za V_DSin jaz_DS, vendar dejanski R_{DS (vklopljeno)}narašča napetost vrat. Pri neki napetostni ravni nad V_gp, daje proizvajalcem dovolj samozavesti, da določijo zgornjo mejo efektivnega R_{DS (vklopljeno)}.

Za induktivna bremena

Dvig toka v kanalu MOSFET zaradi induktivne obremenitve je treba zaključiti, preden napetost začne padati.

Na začetku planote je MOSFET v izklopljenem stanju, ob prisotnosti visokega toka in napetosti skozi odtok do vira.

Med časom T2 in T3 se polni Q_gdse nanese na vrata MOSFET-a, pri čemer se značilnost MOSFET-a pretvori iz konstantnega toka v način konstantnega upora na koncu.

Ko se zgodi zgornji prehod, ni opazne spremembe napetosti vrat V_gppoteka.

To je razlog, da ni nikoli pametno povezati postopka vklopa MOSFET-a s katero koli določeno stopnjo napetosti vrat.

Enako lahko velja za postopek IZKLOPA, pri katerem je treba enaka dva naboja (o katerih smo že govorili) odstraniti z vrat MOSFET-a v nasprotnem vrstnem redu.

MOSFET preklopna hitrost

Medtem ko je Q_gsplus Q_gdskupaj zagotavlja, da se MOSFET v celoti vklopi, nam ne pove, kako hitro se bo to zgodilo.

Kako hitro se bo preklopil tok ali napetost, je odvisno od hitrosti, s katero se polnilni elementi na vratih uporabijo ali odstranijo. To se imenuje tudi tok pogona vrat.

Čeprav hitra hitrost naraščanja in padanja zagotavlja nižje preklopne izgube v MOSFET-jih, lahko to povzroči tudi zaplete na ravni sistema, povezane s povečanimi najvišjimi napetostmi, nihanji in elektromagnetnimi motnjami, zlasti med trenutki izklopa induktivne obremenitve.

Linearno padajoči napetosti, prikazani na zgornji sliki 7, uspe zavzeti konstantno vrednost Cgd, kar se v praksi praktično lahko zgodi MOSFET-om.

Natančneje, polnjenje odtoka C za odtok_gdza visokonapetostni super spoj MOSFET, kot je SiHF35N60E, kaže znatno visok linearni odziv, kot je razvidno iz naslednje slike:

Območje variacije, ki obstaja v vrednosti C_rss(povratni prenos) je več kot 200: 1 znotraj začetnih 100 V. Zaradi tega je dejanski čas padca napetosti na krivulji polnjenja vrat bolj podoben črtkani črti, prikazani v rdeči barvi na sliki 7.

Pri višjih napetostih so časi vzpona in padca nabojev skupaj z njihovimi ekvivalentnimi vrednostmi dV / dt bolj odvisni od vrednosti C_rss, namesto integrala celotne krivulje, označene s Q_gd.

Ko želijo uporabniki primerjati specifikacije MOSFET v različnih oblikovalskih okoljih, bi se morali zavedati, da MOSFET s polovico Q_gdvrednost ne bo nujno imela dvakrat hitrejše preklopne hitrosti ali 50% manj preklopnih izgub.

To je zato, ker po navedbah C_gdkrivulje in njene velikosti pri višjih napetostih, je mogoče, da ima MOSFET nizek Qgd v obrazcu, vendar brez kakršnega koli povečanja preklopne hitrosti.

Povzetek

V dejanski izvedbi se vklop MOSFET-a zgodi skozi vrsto procesov in ne z vnaprej določenim parametrom.

Oblikovalci vezij si morajo prenehati predstavljati, da je V_{GS (th)}ali pa se napetostne ravni lahko uporabijo kot napetost vrat za preklapljanje izhoda MOSFET z visokega na nizek R_{DS (vklopljeno)}.

Morda je zaman razmišljati o tem, da bi imel R_{DS (vklopljeno)}pod ali nad določeno stopnjo napetosti vrat, saj raven napetosti vrat ne vpliva na vklop MOSFET-a. Namesto dajatev Q_gsin Q_gdv MOSFET, ki izvajajo opravilo.

Morda boste ugotovili, da napetost vrat narašča nad V_{GS (th)}in V_gpmed postopkom polnjenja / praznjenja, vendar ti niso tako pomembni.

Prav tako je lahko zapletena funkcija Q, kako hitro se današnji MOSFET vklopi ali izklopi_gsali Q_gd.

Za oceno hitrosti preklopa MOSFET, zlasti naprednih MOSFET-jev, mora projektant opraviti obsežno študijo o krivulji polnjenja vrat in kapacitivnosti, značilni za napravo.

Referenca: https://www.vishay.com/