Разбиране на процеса на включване на MOSFET

Правилно изчисленият процес на включване на MOSFET гарантира, че устройството е включено с оптимална ефективност.

Докато проектирате базирани на MOSFET схеми, може би сте се чудили кой е правилният начин за включване на MOSFET? Или просто какво е минималното напрежение, което трябва да се прилага през портата / източника на устройството, за да го включите перфектно?

Въпреки че за много цифрови системи това може да не е проблем, 5V системи като DSP, FPGA и Arduinos изискват увеличаване на техните резултати за оптимално състояние на превключване за свързания MOSFET.

И в тези ситуации дизайнерът започва да разглежда спецификациите на MOSFET, за да получи данните за праговото напрежение. Проектантът приема, че MOSFET ще се включи и ще промени състоянието, когато това ниво на прага бъде преминато.

Това обаче може да не е толкова просто, колкото изглежда.

Какво е праговото напрежение V_{GS (th)}

На първо място трябва да осъзнаем, че праговото напрежение, обозначено като V_{GS (th)}не е за дизайнерите на вериги да се притесняват.

За да бъдем точни, именно напрежението на затвора причинява изтичането на тока на MOSFET да премине праговото ниво от 250 μA и това е тествано при условия, които никога не биха могли нормално да преминат в практически приложения.

По време на определен анализ се използва постоянна 5V за гореспоменатото тестване на устройството. Но този тест обикновено се изпълнява с портата и канализацията на устройството, свързани или късо помежду си. Можете лесно да получите тази информация в самия лист с данни, така че няма нищо загадъчно в този тест.

Таблицата по-горе показва праговите нива и съответните условия за изпитване за пример MOSFET.

За желаното приложение дизайнерът може да се притеснява от страховита ситуация, известна като „индуцирано“ напрежение на портата, което може да е сериозен проблем, например при нисък страничен MOSFET на синхронен доларов конвертор .

Както беше обсъдено по-рано, и тук трябва да разберем, че преминаването на прага V_{GS (th)}ниво може да не принуди устройството да влезе в състояние на пробив при пробив. Това ниво всъщност казва на дизайнера относно прага, при който MOSFET току-що започва да се включва и не е ситуация, при която нещата просто приключват напълно.

Може да е препоръчително, докато MOSFET е в изключено състояние, напрежението на портата се поддържа под V_{GS (th)}ниво, за да се предотврати изтичането на ток. Но докато го включвате, този параметър може просто да бъде игнориран.

Крива на трансферна характеристика

Ще намерите друга крива диаграма с име трансферни характеристики в таблиците с данни за MOSFET, обясняващи поведението му за включване в отговор на нарастващото напрежение на портата.

За да бъдем точни, това може да е по-свързано с анализа на вариацията на тока по отношение на напрежението на портата и температурата на корпуса на устройството. В този анализ V_DSсе поддържа на фиксирано, но високо ниво, около 15V, което може да не се разкрие в спецификациите на листа с данни.

Ако се позовем на кривата, както е показано по-горе, осъзнаваме, че за източващ ток от 20 Amp, напрежението 3,2 V от врата към източник може да не е достатъчно.

Комбинацията би довела до VDS от 10 V, обикновено с разсейване от 200 вата.

Данните за кривата на прехвърляне могат да бъдат полезни за MOSFET, работещи в линейния диапазон, но данните за кривите могат да имат по-малко значение за MOSFET в приложения за превключване.

Изходни характеристики

Кривата, която разкрива действителните данни относно състоянието на пълно включване на MOSFET, е известна като изходна крива, както е показано по-долу:

Тук, за различните нива на V_GSспадът на MOSFET напред се измерва като функция от тока. Инженерите на устройства използват тези криви данни, за да потвърдят оптималното ниво на напрежението на портата.

За всяко ниво на напрежението на портата, което осигурява пълно включване на MOSFET [R_{DS (включен)}], получаваме диапазон от спада на напрежението (V_GS) през източване към източник със строго линейна реакция с източен ток. Диапазонът започва от нула и нагоре.

За по-ниски напрежения на порта (V_GS), когато токът на източване се увеличи, откриваме, че кривата губи линейния отговор, движейки се през 'коляното' и след това се изравнява.

Горните подробности за кривата ни предоставят пълните изходни характеристики за диапазон на напреженията на портата от 2,5 V до 3,6 V.

Потребителите на MOSFET обикновено могат да разглеждат това като линейна функция. Въпреки това, за разлика от инженерите на устройства, може да предпочетат да обърнат повече внимание на сивата област на графиката, която предполага текущата област на насищане за приложеното напрежение на портата.

Той разкрива текущите данни, които са докоснали точката на насищане или границата на насищане. В този момент, ако V_DSсе увеличи, ще доведе до незначително увеличение на тока, но малко увеличение на източващия ток може да доведе до много по-голям V_DS.

За повишени нива на напрежение на портата, които позволяват MOSFET да се включи напълно, зелената сенчеста зона ще ни покаже работната точка за процеса, посочена като резистивен (или омичен) регион.

Моля, обърнете внимание, че кривите тук показват само типичните стойности и не включват никакви минимални или максимални граници.

Докато работи при по-ниски температури на околната среда, устройството ще изисква по-високо напрежение на затвора, за да остане в резистивната област, което може да се покачи нагоре със скорост от 0,3% / ° C.

Какво е MOSFET RDS (включено)

Когато инженерите на устройства трябва да срещнат изходните характеристики на MOSFET, те по същество ще искат да научат за R_{DS (включен)}на устройството с оглед на специфичните условия на работа.

Като цяло това може да е комбинация от V_GSи аз_DSпрез областта, където кривата се е отклонила от правата линия в частта, обозначена със сивия нюанс.

Като се има предвид примера, обсъден по-горе, напрежение на вратата 3,1 V с начален ток 10 ампера, инженерите ще знаят, че R_{DS (включен)}ще има тенденция да бъде по-голяма от очакваната стойност. След като казахме това, очакваме ли производителят на MOSFET да предостави приблизителни данни относно това?

И с двете величини V_DSи аз_DSлесно достъпна в кривата, тя може да стане твърде примамлива и често се предава, за да се разделят двете величини в резултантното R_{DS (включен)}.

За съжаление обаче нямаме R_{DS (включен)}за оценката тук. Изглежда, че не е налице за споменатите ситуации, тъй като за който и да е раздел на товарна линия представляваща съпротивление трябва да премине през начало по линеен начин.

Въпреки това, може да е възможно да се симулира товарната линия в агрегирана форма като нелинейно съпротивление.

Най-малко това ще гарантира, че всяко разбиране за практическа работа се поддържа в началото (0, 0).

Характеристики на кривата на зареждане на порта

Данните за кривата на зареждане на портата всъщност ни дават реален намек относно спецификациите за включване на MOSFET, както е показано на фигурата по-долу :

Въпреки че горната крива е стандартно включване във всички таблици с данни на MOSFET, основните индикации рядко се разбират от потребителя на MOSFET.

Освен това съвременният напредък в оформленията на MOSFET, като изкоп и екранирани порти, изисква преработено адресиране на данните.

Например, спецификацията, наречена „портално зареждане“, може да изглежда леко подвеждаща сама по себе си.

Линейните и разделени секции на кривата не изглеждат като напрежение, зареждащо кондензатор, независимо колко нелинейна стойност може да покаже.

За да бъдем точни, кривата на заряда на портата означава свързани данни от два непаралелни кондензатора, които имат различна величина и носят различни нива на напрежение.

На теория функционалният капацитет, засвидетелстван от терминала на порта MOSFET, се дефинира с уравнението:

° С_бр= С_gs+ C_gd

където C_бр= капацитет на портата, C_gs= капацитет на източника на порта, C_gd= капацитет за източване на портата

Въпреки че може да изглежда доста просто да се измери тази единица и да се посочи в таблиците с данни, трябва да се отбележи, че терминът C_брвсъщност не е реален капацитет.

Може да е напълно погрешно да мислим, че MOSFET се включва само чрез напрежение, приложено върху капацитета на портата C_бр'.

Както е посочено на горната фигура, точно преди да се включи MOFET, капацитетът на портата не се зарежда, но капацитетът при изтичане на порта C_gdпритежава отрицателен заряд, който трябва да бъде елиминиран.

И двата капацитета имат нелинеен характер и техните стойности до голяма степен варират, тъй като приложените напрежения варират.

Следователно е важно да се отбележи, че съхранените заряди на MOSFET определят неговите характеристики на превключване, а не стойността на капацитета за конкретно ниво на напрежение.

Тъй като двата капацитетни елемента, съставляващи C_бримат различни физически атрибути, те са склонни да се зареждат с различни нива на напрежение, което изисква процесът на включване на MOSFET също да премине през два етапа.

Точната последователност може да бъде различна за резистивни и индуктивни приложения, но обикновено повечето практически натоварвания са силно индуктивни, процесът може да бъде симулиран, както е показано на следващата фигура:

Последователност на синхронизацията на заряда

Последователностите на времето за зареждане на порта на MOSFET могат да бъдат изучени от диаграмата по-долу:

Може да се разбере със следното обяснение:

1. Т0 - Т1: С_gsзарежда от нула до V_{GS (th)}... V_DSили аз_DSне преминава през никакви промени.
2. T1-T2, токът започва да се покачва в MOSFET в отговор на нарастващото напрежение на порта от V_{GS (th)}до напрежението на платото V_{личен лекар}.
3. Тук IDS се увеличава и достига ток на пълно натоварване от 0 V, въпреки че V_DSостава незасегнат и постоянен. Свързаният заряд се формира чрез интеграла на C_gsот 0 V до V_{личен лекар}и Q_gsдадени в таблиците с данни.
4. T2 - T3: Наблюдавайте равнинната област между T2 и T3, нарича се платото Милър.
5. Преди превключвателя ON, C_gdзарежда и задържа до захранващото напрежение V_IN, докато аз_DSдостига пикова стойност I (товар) при Т2.
6. Времето между периода Т2 и Т3, отрицателният заряд (V_IN- V_{личен лекар}) се превръща в положителен заряд по отношение на напрежението на платото V_{личен лекар}.
7. Това може да се визуализира и като падане на източващото напрежение от V_INдо почти нула.
8. Включеният заряд е равен на около C_gdинтеграл от 0 до V_в, което е показано като Q_gdв таблици с данни.
9. По време на T3 - T4 напрежението на портата се покачва от V_{личен лекар}до V_GSи тук едва ли ще намерим някаква промяна за V_DSи аз_DS, но ефективният R_{DS (включен)}спада леко, докато напрежението на портата се покачва. При някакво ниво на напрежение над V_{личен лекар}, осигурява на производителите достатъчно увереност, за да фиксират горната граница на ефективния R_{DS (включен)}.

За индуктивни товари

Повишаването на тока в MOSFET канала поради индуктивен товар трябва да бъде завършено, преди напрежението да започне да пада.

В началото на платото MOSFET е в състояние OFF, в присъствието на висок ток и напрежение през канализацията към източника.

Между времето T2 и T3, заряд Q_gdсе прилага към портата на MOSFET, при което характеристиката MOSFET се трансформира от постоянен ток в режим на постоянно съпротивление в края.

Когато се случи горният преход, няма забележима промяна в напрежението на портата V_{личен лекар}се провежда.

Това е причината никога да не е разумно да свързвате процеса на включване на MOSFET с някакво конкретно ниво на напрежението на портата.

Същото може да важи и за процеса на изключване, който изисква същите две зареждания (обсъдени по-рано) да бъдат елиминирани от портата на MOSFET в обратен ред.

Скорост на превключване на MOSFET

Докато Q_gsплюс Q_gdзаедно гарантира, че MOSFET ще се включи напълно, не ни казва колко бързо това ще се случи.

Колко бързо ще се превключат токът или напрежението, се определя от скоростта, чрез която зарядните елементи на портата се прилагат или отстраняват. Това също се нарича ток на задвижващия портат.

Въпреки че бързият темп на нарастване и спадане осигурява по-ниски превключващи загуби в MOSFET, те също могат да доведат до усложнения на ниво система, свързани с повишени пикови напрежения, трептения и електромагнитни смущения, особено по време на изключване на моментите на индуктивното натоварване.

Линейно падащото напрежение, изобразено на горната фигура 7, успява да приеме постоянна стойност на Cgd, което едва ли може да се случи с MOSFET в практически приложения.

За да бъдем точни, зарядът за източване на порта C_gdза супер напрежение с високо напрежение MOSFET като SiHF35N60E показва значително висока линейна реакция, както може да се види на следната фигура:

Диапазонът на вариация, който съществува в стойността на C_rss(обратен трансфер) е повече от 200: 1 в рамките на първоначалните 100 V. Поради това действителното време на падане на напрежението спрямо кривата на заряда на портата изглежда по-скоро като пунктирана линия, показана в червен цвят на фигура 7.

При по-високи напрежения, времената на нарастване и спадане на зарядите, заедно с техните еквивалентни стойности dV / dt, са по-зависими от стойността на C_rss, вместо интеграла от цялата крива, посочен като Q_gd.

Когато потребителите искат да сравняват MOSFET спецификациите в различни дизайнерски среди, те трябва да осъзнаят, че MOSFET с половината Q_gdстойността не е задължително да включва два пъти по-бърза скорост на превключване или 50% по-малко загуби при превключване.

Това е така, защото според C_gdкривата и нейната величина при по-високи напрежения, може да е напълно възможно MOSFET да има нисък Qgd в листа с данни, но без никакво увеличаване на скоростта на превключване.

Обобщаване

В действителното изпълнение включването на MOSFET става чрез поредица от процеси, а не с предварително определен параметър.

Дизайнерите на вериги трябва да спрат да си представят, че V_{GS (th)}, или нивата на напрежение могат да се използват като напрежение на портата за превключване на изхода на MOSFET от високо на ниско R_{DS (включен)}.

Може да е безполезно да се мисли за R_{DS (включен)}под или над определено ниво на напрежение на портата, тъй като нивото на напрежение на порта не решава по същество включването на MOSFET. По-скоро това са таксите Q_gsи Q_gdвъведени в MOSFET, които изпълняват заданието.

Може да откриете, че напрежението на портата се покачва над V_{GS (th)}и V_{личен лекар}по време на процеса на зареждане / разреждане, но те не са толкова важни.

По същия начин колко бързо може да се включи или изключи днешният MOSFET може да бъде сложна функция на Q_gsили Q_gd.

За оценка на скоростите на превключване на MOSFET, особено на усъвършенстваните MOSFET, дизайнерът трябва да премине през цялостно проучване по отношение на кривата на зареждане на портата и характеристиката на капацитета на устройството.

Справка: https://www.vishay.com/