Zrozumienie procesu włączania MOSFET

Prawidłowo obliczony proces włączania MOSFET zapewnia włączenie urządzenia z optymalną wydajnością.

Projektując obwody oparte na MOSFET-ie, być może zastanawiałeś się, jaki jest prawidłowy sposób włączania MOSFET-u? Lub po prostu jakie jest minimalne napięcie, które należy przyłożyć do bramki / źródła urządzenia, aby idealnie je włączyć?

Chociaż w przypadku wielu systemów cyfrowych może to nie stanowić problemu, systemy 5 V, takie jak DSP, FPGA i Arduino, wymagają zwiększenie ich wydajności dla optymalnych warunków przełączania dla podłączonego MOSFET-u.

W takich sytuacjach projektant zaczyna przyglądać się specyfikacjom tranzystora MOSFET, aby uzyskać dane dotyczące napięcia progowego. Projektant zakłada, że ​​MOSFET włączy się i zmieni stan po przekroczeniu tego poziomu progowego.

Jednak może to nie być tak proste, jak mogłoby się wydawać.

Co to jest napięcie progowe V._{GS (th)}

Przede wszystkim musimy zdać sobie sprawę, że napięcie progowe, oznaczone jako V_{GS (th)}nie jest to zadanie dla projektantów obwodów.

Mówiąc dokładniej, to napięcie bramki powoduje, że prąd drenu tranzystora MOSFET przekracza próg 250 μA i jest to testowane w warunkach, które normalnie mogą nigdy nie zaistnieć w praktycznych zastosowaniach.

Podczas niektórych analiz do wspomnianego powyżej testowania urządzenia używane jest stałe 5V. Ale ten test jest zwykle wykonywany z bramą i odpływem urządzenia połączonymi lub zwartymi ze sobą. Możesz łatwo uzyskać te informacje w samym arkuszu danych, więc nie ma nic tajemniczego w tym teście.

Powyższa tabela wskazuje poziomy progowe i odpowiednie warunki testowe dla przykładowego tranzystora MOSFET.

W przypadku pożądanej aplikacji projektant może być zaniepokojony przerażającą sytuacją znaną jako `` indukowane '' napięcie bramki, które może być poważnym problemem, na przykład w tranzystorze MOSFET po stronie niskiego napięcia. synchroniczny konwerter buck .

Jak wspomniano wcześniej, również tutaj musimy zrozumieć, że przekroczenie progu V._{GS (th)}poziom nie może zmuszać urządzenia do przejścia w stan przebicia. Ten poziom w rzeczywistości mówi projektantowi o progu, przy którym MOSFET właśnie zaczyna się włączać i nie jest to sytuacja, w której wszystko się kończy.

Może być wskazane, aby podczas wyłączania tranzystora MOSFET napięcie bramki było utrzymywane poniżej V._{GS (th)}poziom, aby zapobiec upływowi prądu. Ale podczas włączania tego parametru można po prostu zignorować.

Przenoszenie charakterystycznej krzywej

Znajdziesz inny wykres krzywej o nazwie charakterystyka przenoszenia w arkuszach danych MOSFET wyjaśniających jego zachowanie podczas włączania w odpowiedzi na rosnące napięcie bramki.

Mówiąc dokładniej, może to być bardziej związane z analizą zmian prądu w odniesieniu do napięcia bramki i temperatury obudowy urządzenia. W tej analizie V_DSjest utrzymywany na stałym poziomie, ale wysokim, około 15 V, co może nie być ujawnione w specyfikacji arkusza danych.

Jeśli odniesiemy się do krzywej pokazanej powyżej, zdamy sobie sprawę, że dla prądu drenu 20 Amp, napięcie bramki do źródła 3,2 V może nie być wystarczające.

Połączenie to skutkowałoby VDS 10 V typowo przy rozproszeniu 200 watów.

Dane krzywej przenoszenia mogą być przydatne dla tranzystorów MOSFET pracujących w zakresie liniowym, jednak dane krzywych mogą mieć mniejsze znaczenie dla tranzystorów MOSFET w zastosowaniach przełączających.

Charakterystyka wyjściowa

Krzywa, która ujawnia rzeczywiste dane dotyczące stanu pełnego włączenia tranzystora MOSFET, jest znana jako krzywa wyjściowa, jak pokazano poniżej:

Tutaj, dla różnych poziomów V._GSspadek MOSFET do przodu jest mierzony jako funkcja prądu. Inżynierowie urządzeń wykorzystują te dane krzywej do potwierdzenia optymalnego poziomu napięcia bramki.

Dla każdego poziomu napięcia bramki zapewniającego pełne włączenie tranzystora MOSFET [R_{DS (wł.)}], otrzymujemy zakres spadków napięcia (V_GS) w poprzek drenu do źródła o ściśle liniowej odpowiedzi z prądem drenu. Zakres zaczyna się od zera i wzwyż.

Dla niższych napięć bramki (V_GS), gdy prąd drenu jest zwiększony, krzywa traci liniową odpowiedź, przechodzi przez „kolano”, a następnie staje się płaska.

Powyższe szczegóły krzywej zapewniają nam pełną charakterystykę wyjściową dla zakresu napięć bramki od 2,5 V do 3,6 V.

Użytkownicy MOSFET mogą normalnie traktować to jako funkcję liniową. Jednak z drugiej strony inżynierowie urządzeń mogą preferować zwracanie większej uwagi na szary obszar wykresu, który sugeruje obszar nasycenia prądu dla zastosowanego napięcia bramki.

Ujawnia aktualne dane, które dotknęły punktu nasycenia lub granicy nasycenia. W tym momencie, jeśli V_DSzwiększona spowoduje marginalny wzrost prądu, ale niewielki wzrost prądu drenu może prowadzić do znacznie większego V_DS.

W przypadku zwiększonych poziomów napięcia bramki, które umożliwiają pełne włączenie tranzystora MOSFET, zielony zacieniony obszar pokaże nam punkt pracy procesu, oznaczony jako obszar rezystancyjny (lub omowy).

Należy pamiętać, że przedstawione tutaj krzywe pokazują tylko typowe wartości i nie obejmują żadnych minimalnych ani maksymalnych granic.

Podczas pracy w niższych temperaturach otoczenia urządzenie będzie wymagało wyższego napięcia bramki, aby pozostać w obszarze rezystancyjnym, które może wzrosnąć z szybkością 0,3% / ° C.

Co to jest MOSFET RDS (on)

Kiedy inżynierowie urządzeń będą musieli zetknąć się z charakterystyką wyjściową tranzystora MOSFET, zasadniczo będą chcieli dowiedzieć się czegoś o R._{DS (wł.)}urządzenia w odniesieniu do szczególnych warunków pracy.

Ogólnie może to być mieszanka V._GSi ja_DSw poprzek obszaru, w którym krzywa odchyliła się od linii prostej do części oznaczonej szarym odcieniem.

Biorąc pod uwagę omówiony powyżej przykład, napięcie bramki 3,1 V przy prądzie początkowym 10 A, inżynierowie będą wiedzieć, że R_{DS (wł.)}będzie zwykle większa niż wartość szacunkowa. Powiedziawszy to, czy spodziewamy się, że producent MOSFET dostarczy przybliżone dane na ten temat?

Przy obu wielkościach V._DSi ja_DSłatwo dostępny na krzywej może stać się zbyt kuszący i często poddaje się, aby podzielić dwie wielkości w wypadkowym R_{DS (wł.)}.

Jednak niestety nie mamy R_{DS (wł.)}do oceny tutaj. Wydaje się, że jest niedostępny w wymienionych sytuacjach, ponieważ dla dowolnej sekcji linia ładunkowa reprezentujący opór musi przejść przez źródło w sposób liniowy.

To powiedziawszy, może być możliwe symulowanie linii obciążenia w postaci zagregowanej, takiej jak opór nieliniowy.

Jako minimum zagwarantuje to, że wszelkie zrozumienie praktycznej pracy zostanie zachowane u źródła (0, 0).

Charakterystyka krzywej ładowania bramki

To właśnie dane krzywej ładowania bramki faktycznie dają nam prawdziwą wskazówkę dotyczącą włączania specyfikacji MOSFET, jak pokazano na poniższym rysunku :

Chociaż powyższa krzywa jest standardowym włączeniem do wszystkich arkuszy danych MOSFET, podstawowe wskazania są rzadko rozumiane przez użytkownika MOSFET.

Ponadto nowoczesny postęp w układach MOSFET, takich jak wykopy i bramy ekranowane, wymaga zmiany adresowania danych.

Na przykład specyfikacja o nazwie „gate-charge” może sama w sobie wydawać się nieco myląca.

Liniowe i podzielone odcinki krzywej nie wyglądają jak napięcie ładujące kondensator, niezależnie od tego, jaką wartość nieliniową może on wykazywać.

Mówiąc dokładniej, krzywa ładowania bramki oznacza skojarzone dane z dwóch nierównoległych kondensatorów, mających różne wielkości i przenoszące różne poziomy napięcia.

Teoretycznie pojemność funkcjonalna, jak widać z terminala bramki MOSFET, jest zdefiniowana równaniem:

do_iss= C_gs+ C_gd

gdzie C_iss= pojemność bramki, C_gs= pojemność źródła bramki, C_gd= pojemność spustowa bramki

Chociaż może wydawać się dość proste zmierzenie tej jednostki i wyszczególnienie w arkuszach danych, należy zauważyć, że określenie C_issw rzeczywistości nie jest rzeczywistą pojemnością.

Myślenie, że tranzystor MOSFET jest włączany tylko przez napięcie przyłożone do `` pojemności bramki C '' może być całkowicie błędne._iss”.

Jak pokazano na powyższym rysunku, tuż przed włączeniem MOFET pojemność bramki nie ma ładunku, ale pojemność na drenu bramki C_gdposiada ładunek ujemny, który należy wyeliminować.

Obie te pojemności mają nieliniowy charakter, a ich wartości znacznie się zmieniają wraz ze zmianą przyłożonych napięć.

Dlatego należy zauważyć, że to zgromadzone ładunki tranzystora MOSFET określają jego charakterystykę przełączania, a nie wartość pojemności dla określonego poziomu napięcia.

Ponieważ dwa elementy pojemnościowe tworzące C_issmają różne cechy fizyczne, mają tendencję do ładowania się różnymi poziomami napięcia, co wymaga, aby proces włączania tranzystora MOSFET również przechodził przez dwa etapy.

Dokładna sekwencja może być inna w zastosowaniach rezystancyjnych i indukcyjnych, ale zazwyczaj większość praktycznych obciążeń jest wysoce indukcyjnych, proces można zasymulować, jak pokazano na poniższym rysunku:

Sekwencja czasowa ładowania bramki

Sekwencje taktowania ładowania bramki MOSFET można zbadać na poniższym diagramie:

Można to zrozumieć za pomocą następującego wyjaśnienia:

1. T0 - T1: C_gsładuje od zera do V._{GS (th)}... V_DSlub ja_DSnie przechodzi żadnych zmian.
2. T1-T2, prąd zaczyna rosnąć w tranzystorze MOSFET w odpowiedzi na rosnące napięcie bramki od V._{GS (th)}do napięcia plateau V._gp.
3. Tutaj IDS rośnie i osiąga prąd pełnego obciążenia od 0 V, chociaż V._DSpozostaje nienaruszona i stała. Ładunek powiązany jest tworzony przez całkę z C._gsod 0 V do V._gpi Q_gspodane w arkuszach danych.
4. T2 - T3: Obserwuj płaski obszar między T2 i T3, nazywa się to płaskowyżem Millera.
5. Przed włączeniem, C_gdładuje i utrzymuje napięcie zasilania V_W, dopóki ja_DSosiąga szczytową wartość I (obciążenie) w T2.
6. Czas między okresem T2 i T3, ładunek ujemny (V_W- V_gp) przekształca się w ładunek dodatni w odniesieniu do napięcia plateau V._gp.
7. Można to również wizualizować jako spadek napięcia drenu z V._Wprawie do zera.
8. Ładunek, którego to dotyczy, jest równy wokół litery C._gdcałka od 0 do V._w, który jest pokazany jako Q_gdw arkuszach danych.
9. Podczas T3 - T4 napięcie bramki rośnie od V._gpdo V_GS, a tutaj nie znajdujemy prawie żadnej zmiany dla V_DSi ja_DS, ale skuteczny R._{DS (wł.)}spada nieznacznie, gdy rośnie napięcie bramki. Na pewnym poziomie napięcia powyżej V._gp, zapewnia producentom wystarczającą pewność, aby ustalić górną granicę efektywnego współczynnika R_{DS (wł.)}.

Do obciążeń indukcyjnych

Wzrost prądu w kanale MOSFET spowodowany obciążeniem indukcyjnym musi zostać zakończony, zanim napięcie zacznie spadać.

Na początku plateau tranzystor MOSFET jest w stanie WYŁĄCZONY w obecności wysokiego prądu i napięcia w poprzek drenu do źródła.

Między czasem T2 a T3 ładunek Q_gdjest stosowany do bramki tranzystora MOSFET, w którym charakterystyka MOSFET przekształca się z trybu stałego prądu na tryb stałej rezystancji na końcu.

Kiedy nastąpi powyższe przejście, nie ma zauważalnej zmiany napięcia bramki V._gpma miejsce.

To jest powód, dla którego powiązanie procesu włączania tranzystora MOSFET z jakimkolwiek określonym poziomem napięcia bramki nigdy nie jest rozsądnym pomysłem.

To samo może dotyczyć procesu wyłączania, który wymaga usunięcia tych samych dwóch ładunków (omówionych wcześniej) z bramki tranzystora MOSFET w odwrotnej kolejności.

Szybkość przełączania MOSFET

Podczas gdy Q_gsplus Q_gdrazem zapewniają, że MOSFET włączy się całkowicie, nie mówi nam, jak szybko to się stanie.

To, jak szybko prąd lub napięcie będzie się przełączać, zależy od szybkości, z jaką elementy ładujące w bramce są przykładane lub usuwane. Nazywa się to również prądem napędu bramki.

Chociaż szybki wzrost i spadek zapewnia niższe straty przełączania w tranzystorach MOSFET, mogą one również powodować komplikacje na poziomie systemu związane ze zwiększonymi napięciami szczytowymi, oscylacjami i zakłóceniami elektromagnetycznymi, szczególnie podczas wyłączania obciążenia indukcyjnego.

Liniowo spadające napięcie przedstawione na powyższym rysunku 7 jest w stanie przyjąć stałą wartość Cgd, co może się nie zdarzyć w przypadku tranzystorów MOSFET w praktycznych zastosowaniach.

Mówiąc dokładniej, ładunek zasuwy C_gddla wysokonapięciowego super-złącza MOSFET, takiego jak SiHF35N60E, wykazuje znacznie wysoką liniową odpowiedź, jak widać na poniższym rysunku:

Zakres zmienności, który istnieje w wartości C_rss(transfer zwrotny) jest większy niż 200: 1 w ramach początkowych 100 V. Z tego powodu rzeczywisty czas spadku napięcia względem krzywej ładowania bramki wygląda bardziej jak przerywana linia pokazana na czerwono na rysunku 7.

Przy wyższych napięciach czasy narastania i opadania ładunków, wraz z ich równoważnymi wartościami dV / dt, są bardziej zależne od wartości C_rss, zamiast całki z całej krzywej oznaczonej jako Q_gd.

Kiedy użytkownicy chcą porównać specyfikacje MOSFET w różnych środowiskach projektowych, powinni zdać sobie sprawę, że MOSFET z połową Q_gdwartość niekoniecznie musi charakteryzować się dwukrotnie większą szybkością przełączania lub o 50% mniejszymi stratami przełączania.

Dzieje się tak, ponieważ według C._gdkrzywej i jej wielkości przy wyższych napięciach, może być całkiem możliwe, że tranzystor MOSFET będzie miał niskie Qgd w arkuszu danych, ale bez żadnego wzrostu szybkości przełączania.

Zreasumowanie

W rzeczywistej implementacji, włączenie tranzystora MOSFET następuje w wyniku szeregu procesów, a nie za pomocą z góry określonego parametru.

Projektanci obwodów muszą przestać wyobrażać sobie, że V_{GS (th)}lub poziomy napięcia mogą być użyte jako napięcie bramki do przełączania wyjścia MOSFET z wysokiego na niski R_{DS (wł.)}.

Myślenie o posiadaniu R może być daremne_{DS (wł.)}poniżej lub powyżej określonego poziomu napięcia bramki, ponieważ poziom napięcia bramki nie decyduje samoistnie o włączeniu tranzystora MOSFET. Raczej to zarzuty Q_gsi Q_gdwprowadzone do MOSFET, które wykonują zadanie.

Może się okazać, że napięcie bramki rośnie powyżej V._{GS (th)}i V_gppodczas procesu ładowania / rozładowania, ale nie są one tak ważne.

Podobnie, to, jak szybko tranzystor MOSFET może się włączać lub wyłączać, może być złożoną funkcją Q_gslub Q_gd.

W celu oceny szybkości przełączania MOSFET, zwłaszcza zaawansowanych tranzystorów MOSFET, projektant musi przeprowadzić kompleksowe badanie dotyczące krzywej ładowania bramki i charakterystyki pojemnościowej urządzenia.

Odniesienie: https://www.vishay.com/