Inzicht in het MOSFET-inschakelproces

Probeer Ons Instrument Voor Het Oplossen Van Problemen





Een correct berekend MOSFET-inschakelproces zorgt ervoor dat het apparaat met optimale efficiëntie wordt ingeschakeld.

Bij het ontwerpen van op MOSFET gebaseerde schakelingen heeft u zich misschien afgevraagd wat de juiste manier is om een ​​MOSFET in te schakelen? Of wat is gewoon de minimale spanning die over de poort / bron van het apparaat moet worden aangelegd om het perfect in te schakelen?



Hoewel dit voor veel digitale systemen misschien geen probleem is, vereisen 5V-systemen zoals DSP's, FPGA's en Arduino's het stimuleren van hun output voor optimale schakelconditie voor de aangesloten MOSFET.

En in deze situaties begint de ontwerper te kijken naar de specificaties van de MOSFET om de drempelspanningsgegevens te krijgen. De ontwerper gaat ervan uit dat de MOSFET wordt ingeschakeld en van status verandert wanneer dit drempelniveau wordt overschreden.



Dit is echter misschien niet zo eenvoudig als het lijkt.

Wat is drempelspanning V.GS (th)

Allereerst moeten we ons realiseren dat de drempelspanning, aangeduid als VGS (th)is niet voor circuitontwerpers om zich zorgen over te maken.

Om precies te zijn, is het de poortspanning die ervoor zorgt dat de afvoerstroom van de MOSFET een drempelwaarde van 250 μA overschrijdt, en dit wordt getest onder omstandigheden die normaal gesproken nooit voorkomen in praktische toepassingen.

Tijdens bepaalde analyses wordt een constante 5V gebruikt voor de bovengenoemde testen van het apparaat. Maar deze test wordt normaal gesproken uitgevoerd met de poort en de afvoer van het apparaat die met elkaar zijn verbonden of kortgesloten. U kunt deze informatie gemakkelijk in de datasheet zelf krijgen, dus er is niets mysterieus aan deze test.

MOSFET-drempelwaarden en de relevante testomstandigheden

In bovenstaande tabel zijn de drempelwaarden en de relevante testcondities voor een voorbeeld MOSFET aangegeven.

Voor een gewenste toepassing kan de ontwerper zich zorgen maken over een gevreesde situatie die bekend staat als 'geïnduceerde' poortspanning, wat een serieus probleem kan zijn, bijvoorbeeld in een lage MOSFET van synchrone buck-omzetter

Zoals eerder besproken, moeten we ook hier begrijpen dat het overschrijden van de drempel VGS (th)niveau kan het apparaat niet dwingen om in een doorschiettoestand te komen. Dit niveau vertelt de ontwerper eigenlijk over de drempel waarop de MOSFET net begint te worden ingeschakeld en is geen situatie waarin de dingen gewoon helemaal eindigen.

Het kan raadzaam zijn dat terwijl de MOSFET is uitgeschakeld, de poortspanning onder de V wordt gehoudenGS (th)niveau, om lekstroom te voorkomen. Maar als u deze AAN zet, kan deze parameter eenvoudigweg worden genegeerd.

Overdracht karakteristieke curve

U vindt een ander curvendiagram met de naam overdracht kenmerken in MOSFET-datasheets waarin het inschakelgedrag wordt uitgelegd als reactie op toenemende poortspanning.

Om precies te zijn, kan dit meer verband houden met analyse van stroomvariatie met betrekking tot poortspanning en temperatuur van de behuizing van het apparaat. In deze analyse is de VDSwordt op een vast niveau gehouden maar op een hoog niveau, rond de 15V, wat mogelijk niet wordt onthuld in de specificaties van de datasheet.

MOSFET Transfer Characteristic Curve

Als we verwijzen naar de curve zoals hierboven weergegeven, realiseren we ons dat voor een afvoerstroom van 20 A, 3,2 V gate-to-source-spanning mogelijk niet voldoende is.

De combinatie zou resulteren in een VDS van 10 V, typisch met een dissipatie van 200 watt.

Overdrachtscurvegegevens kunnen nuttig zijn voor MOSFET's die in het lineaire bereik werken, maar de curvegegevens zijn mogelijk minder belangrijk voor MOSFET's in schakeltoepassingen.

Uitvoerkarakteristieken

De curve die de feitelijke gegevens onthult met betrekking tot de volledig AAN-toestand van een MOSFET staat bekend als de outputcurve, zoals hieronder weergegeven:

MOSFET-uitvoerkarakteristieken

Hier, voor de verschillende niveaus van VGSde voorwaartse daling van de MOSFET wordt gemeten als een functie van de stroom. Apparaatingenieurs gebruiken deze curvegegevens om het optimale niveau van poortspanning te bevestigen.

Voor elk niveau van poortspanning dat zorgt voor een volledige inschakeling van de MOSFET [RDS (aan)], krijgen we een reeks spanningsdalingen (V.GS) over afvoer-naar-bron met een strikt lineaire respons met afvoerstroom. Het bereik begint vanaf nul en hoger.

Voor lagere poortspanningen (V.GS), wanneer de afvoerstroom wordt verhoogd, zien we dat de curve de lineaire respons verliest, door de 'knie' beweegt en vervolgens vlak wordt.

De bovenstaande curvedetails bieden ons de volledige uitgangskarakteristieken voor een reeks poortspanningen van 2,5 V tot 3,6 V.

MOSFET-gebruikers beschouwen dit normaal gesproken als de lineaire functie. In tegenstelling daarmee kunnen apparaatingenieurs er de voorkeur aan geven om meer aandacht te besteden aan het grijze gebied van de grafiek, dat het huidige verzadigingsgebied voor aangelegde poortspanning suggereert.

Het onthult de huidige gegevens die het verzadigingspunt of de verzadigingslimiet hebben geraakt. Op dit punt, als de VDSwordt verhoogd zal resulteren in een marginale toename van de stroom, maar een kleine toename van de afvoerstroom kan leiden tot een veel grotere VDS

Voor verhoogde poortspanningsniveaus, waardoor de MOSFET volledig kan worden ingeschakeld, zal het groen gearceerde gebied ons het werkpunt voor het proces tonen, aangegeven als resistief (of ohmisch) gebied.

Houd er rekening mee dat de curven hier alleen de typische waarden tonen en geen minimum- of maximumgrenzen bevatten.

Bij gebruik bij lagere omgevingstemperaturen heeft het apparaat een hogere poortspanning nodig om in het resistieve gebied te blijven, dat kan stijgen met een snelheid van 0,3% / ° C.

Wat is MOSFET RDS (aan)

Wanneer apparaatingenieurs de uitvoerkarakteristieken van de MOSFET moeten tegenkomen, zullen ze in wezen meer willen weten over de RDS (aan)van het apparaat met verwijzing naar de specifieke bedrijfsomstandigheden.

Over het algemeen kan dit een mix van V zijnGSen ikDSover het gebied waar de curve is afgeweken van de rechte lijn naar het gedeelte dat wordt aangegeven door de grijze tint.

Gezien het hierboven besproken voorbeeld, een poortspanning van 3,1 V met een startstroom van 10 Ampère, zullen de ingenieurs weten dat de RDS (aan)zal meestal groter zijn dan de geschatte waarde. Dit gezegd hebbende, verwachten we dat de MOSFET-fabrikant hierover geschatte gegevens verstrekt?

Met beide hoeveelheden VDSen ikDSgemakkelijk verkrijgbaar in de curve, kan het te verleidelijk worden, en wordt vaak overgegeven aan, om de twee grootheden te verdelen bij de resulterende RDS (aan)

Helaas hebben we geen RDS (aan)voor de beoordeling hier. Het lijkt niet beschikbaar te zijn voor de genoemde situaties, aangezien voor een deel van het laadlijn die een weerstand voorstellen, moet de oorsprong op een lineaire manier doorkruisen.

Dat gezegd hebbende, is het misschien mogelijk om de belastingslijn te simuleren in een geaggregeerde vorm zoals een niet-lineaire weerstand.

Dit garandeert op zijn minst dat elk begrip van praktisch werken bij de oorsprong behouden blijft (0, 0).

Gate Charge Curve-kenmerken

Het zijn de poortlaadcurvegegevens die ons eigenlijk een echte hint geven met betrekking tot de inschakel-specificaties van de MOSFET, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding

Gate Charge Curve-kenmerken

Hoewel de bovenstaande curve een standaardopname is in alle MOSFET-datasheets, worden de onderliggende indicaties zelden begrepen door de MOSFET-gebruiker.

Bovendien vraagt ​​de moderne vooruitgang in de MOSFET-lay-outs, zoals geul en afgeschermde poorten, om een ​​herziene adressering van de gegevens.

De specificatie met de naam 'gate-charge' kan bijvoorbeeld op zichzelf enigszins misleidend lijken.

De lineaire en verdeelde secties van de curve zien er niet uit als het opladen van een condensator onder spanning, ongeacht hoeveel niet-lineaire waarde deze kan vertonen.

Om precies te zijn, duidt de poortladingscurve de bijbehorende gegevens aan van twee niet-parallelle condensatoren, met ongelijke grootheden en met verschillende spanningsniveaus.

In theorie wordt de functionele capaciteit zoals getuige van de MOSFET-poortterminal gedefinieerd met de vergelijking:

Ciss= Cgs+ Cgd

waar Ciss= poortcapaciteit, Cgs= poortbroncapaciteit, Cgd= poortafvoercapaciteit

Hoewel het vrij eenvoudig lijkt om deze eenheid te meten en te specificeren in de datasheets, moet worden opgemerkt dat de term Cissis eigenlijk geen echte capaciteit.

Het kan helemaal verkeerd zijn om te denken dat een MOSFET wordt ingeschakeld door alleen een spanning op de 'poortcapaciteit Ciss

Poortcapaciteit Opladen Ontlaadschema

Zoals aangegeven in de bovenstaande afbeelding, heeft net voordat een MOFET wordt ingeschakeld, de poortcapaciteit geen lading, maar de capaciteit bij poortafvoer Cgdheeft een negatieve lading die moet worden verwijderd.

Beide capaciteiten hebben een niet-lineair karakter en hun waarden variëren grotendeels naarmate de aangelegde spanningen variëren.

Daarom is het belangrijk op te merken dat het de opgeslagen ladingen van de MOSFET zijn die de schakelkarakteristieken bepalen, en niet de capaciteitswaarde voor een specifiek spanningsniveau.

Omdat de twee capaciteitselementen die Cissverschillende fysieke kenmerken hebben, worden ze meestal opgeladen met ongelijke spanningsniveaus, waardoor het inschakelproces van de MOSFET ook door twee fasen moet gaan.

De precieze volgorde kan verschillen voor resistieve en inductieve toepassingen, maar omdat de meeste praktische belastingen doorgaans zeer inductief zijn, kan het proces worden gesimuleerd zoals weergegeven in de volgende afbeelding:

MOSFET zet reactie AAN voor inductieve belasting

Gate Charge Timing-volgorde

De timingsequenties van de poortlading van de MOSFET kunnen worden bestudeerd aan de hand van het onderstaande diagram:

Gate charge tining

Het kan worden begrepen met de volgende uitleg:

  1. T0 - T1: Cgskosten van nul tot VGS (th)​VDSof ikDSondergaat geen wijzigingen.
  2. T1-T2, de stroom begint te stijgen in de MOSFET als reactie op de toenemende poortspanning van VGS (th)tot de plateauspanning V.gp
  3. Hier neemt IDS toe en bereikt de stroom bij volledige belasting vanaf 0 V, hoewel VDSblijft onaangetast en constant. De bijbehorende lading wordt gevormd door de integraal van Cgsvan 0 V tot Vgp, en Qgsgegeven in de datasheets.
  4. T2 - T3: Let op het vlakke gebied tussen T2 en T3, het heet het Miller-plateau.
  5. Voordat de schakelaar wordt ingeschakeld, C.gdlaadt op en houdt tot de voedingsspanning VIN, totdat ikDSbereikt de piekwaarde I (belasting) op T2.
  6. De tijd tussen periode T2 en T3, de negatieve lading (V.IN- Vgp) wordt omgezet in een positieve lading met betrekking tot de plateauspanning Vgp
  7. Dit kan ook worden gevisualiseerd als het dalen van de afvoerspanning van VINtot bijna nul.
  8. De betrokken lading is gelijk aan rond de Cgdintegraal van 0 tot Vin, die wordt weergegeven als Qgdin datasheets.
  9. Tijdens T3 - T4 stijgt de poortspanning van V.gptot VGS, en hier vinden we nauwelijks verandering voor VDSen ikDS, maar de effectieve RDS (aan)daalt iets naarmate de poortspanning stijgt. Op een bepaald spanningsniveau boven Vgp, geeft de fabrikanten voldoende vertrouwen om de bovengrens op de effectieve R vast te stellenDS (aan)

Voor inductieve belastingen

De stijging van de stroom in het MOSFET-kanaal als gevolg van een inductieve belasting moet worden voltooid voordat de spanning begint te dalen.

Aan het begin van het plateau bevindt de MOSFET zich in de UIT-toestand, in aanwezigheid van een hoge stroom en spanning over de afvoer naar de bron.

Tussen de tijd T2 en T3 is een lading Qgdwordt toegepast op de poort van de MOSFET, waarbij de MOSFET-karakteristiek aan het einde transformeert van constante stroom naar constante weerstandsmodus.

Wanneer de bovenstaande overgang plaatsvindt, is er geen merkbare verandering in de poortspanning Vgpvindt plaats.

Dit is de reden dat het nooit een verstandig idee is om een ​​MOSFET-inschakelproces te relateren aan een bepaald niveau van poortspanning.

Hetzelfde kan gelden voor het uitschakelproces, dat vereist dat dezelfde twee ladingen (eerder besproken) in de omgekeerde volgorde uit de poort van de MOSFET worden verwijderd.

MOSFET-schakelsnelheid

Terwijl Qgsplus Qgdzorgen er samen voor dat de MOSFET volledig AAN gaat, het vertelt ons niet hoe snel dit zal gebeuren.

Hoe snel de stroom of spanning zal schakelen, wordt bepaald door de snelheid waarmee de ladingselementen aan de poort worden aangebracht of verwijderd. Dit wordt ook wel de poortaandrijfstroom genoemd.

Hoewel een snelle stijging en daling zorgt voor lagere schakelverliezen in MOSFET's, kunnen deze ook leiden tot complicaties op systeemniveau in verband met verhoogde piekspanningen, oscillaties en elektromagnetische interferentie, vooral tijdens de uitschakelmomenten van de inductieve belasting.

De lineair dalende spanning weergegeven in de bovenstaande figuur 7 slaagt erin om een ​​constante waarde van Cgd aan te nemen, wat in praktische toepassingen misschien nauwelijks voorkomt bij MOSFET's.

Om precies te zijn, de gate-drain-lading Cgdvoor een superjunctie-MOSFET met hoge spanning zoals SiHF35N60E vertoont een aanzienlijk hoge lineaire respons, zoals te zien is in de volgende afbeelding:

MOSFET-schakelsnelheid

Het variatiebereik dat bestaat in de waarde van Crss(omgekeerde overdracht) is meer dan 200: 1 binnen de aanvankelijke 100 V. Hierdoor lijkt de werkelijke afvaltijd van de spanning tegen de poortlaadcurve meer op de rode stippellijn in figuur 7.

Bij hogere spanningen zijn de stijg- en daaltijden van de ladingen, samen met hun equivalente dV / dt-waarden, meer afhankelijk van de waarde van Crss, in plaats van de integraal van de hele curve aangegeven als Qgd

Wanneer gebruikers MOSFET-specificaties binnen verschillende ontwerpomgevingen willen vergelijken, moeten ze zich realiseren dat MOSFET met de helft van de Qgdwaarde hoeft niet per se een twee keer hogere schakelsnelheid of 50% minder schakelverliezen te hebben.

Dit komt omdat, volgens de Cgdcurve en de grootte ervan bij hogere spanningen, kan het heel goed mogelijk zijn dat een MOSFET een lage Qgd in de datasheet heeft, maar zonder enige toename van de schakelsnelheid.

Samenvatten

Bij daadwerkelijke implementatie gebeurt het inschakelen van een MOSFET via een reeks processen en niet met een vooraf bepaalde parameter.

Circuitontwerpers moeten zich niet meer voorstellen dat VGS (th), of spanningsniveaus zouden kunnen worden gebruikt als de poortspanning voor het schakelen van de MOSFET-uitvoer van hoog naar laag RDS (aan)

Het kan zinloos zijn om na te denken over het hebben van een RDS (aan)onder of boven een specifiek poortspanningsniveau, aangezien het poortspanningsniveau niet intrinsiek de inschakeling van een MOSFET bepaalt. Het zijn eerder de aanklachten Qgsen Qgdgeïntroduceerd in de MOSFET die de taak uitvoeren.

Mogelijk vindt u de poortspanning boven V stijgenGS (th)en Vgptijdens het opladen / ontladen, maar deze zijn niet zo belangrijk.

Evenzo, hoe snel de huidige MOSFET kan worden in- of uitgeschakeld, kan een complexe functie van Q zijngsof Qgd

Voor het evalueren van MOSFET-schakelsnelheden, met name de geavanceerde MOSFET's, moet de ontwerper een uitgebreide studie doorlopen met betrekking tot de poortlaadcurve en de capaciteitskarakteristiek van het apparaat.

Referentie: https://www.vishay.com/




Vorige: overdrachtskarakteristieken Volgende: TL494 Datasheet, Pinout, Applicatiecircuits