Supratimas apie MOSFET įjungimo procesą

Teisingai apskaičiuotas MOSFET įjungimo procesas užtikrina optimalų prietaiso įjungimą.

Kurdami MOSFET pagrįstas grandines, galėjote pagalvoti, koks yra teisingas būdas įjungti MOSFET? Arba tiesiog kokia yra minimali įtampa, kuri turėtų būti naudojama per prietaiso vartus / šaltinį, kad jis būtų idealiai įjungtas?

Nors daugeliui skaitmeninių sistemų tai gali būti ne problema, 5 V sistemoms, tokioms kaip DSP, FPGA ir Arduinos, reikia padidinti jų rezultatus optimaliai prijungto MOSFET perjungimo sąlygai.

Šiose situacijose dizaineris pradeda ieškoti MOSFET specifikacijų, kad gautų ribinės įtampos duomenis. Dizaineris daro prielaidą, kad peržengus šį slenksčio lygį MOSFET įsijungtų ir pakeistų būseną.

Tačiau tai gali būti ne taip paprasta, kaip gali pasirodyti.

Kas yra slenkstinė įtampa V_{GS (th)}

Pirmiausia turime suvokti, kad slenkstinė įtampa, žymima V_{GS (th)}grandinių dizaineriai neturi jaudintis.

Tiksliau sakant, būtent vartų įtampa sukelia MOSFET nutekėjimo srovę peržengti 250 μA slenkstinį lygį, ir tai yra išbandoma sąlygomis, kurios praktiškai niekada niekada nepasikartos.

Atliekant tam tikrą analizę, aukščiau paminėtiems prietaiso bandymams naudojama pastovi 5 V įtampa. Bet šis bandymas paprastai atliekamas vartus ir prietaiso nutekėjimą sujungus arba sutrumpinus vienas kitą. Šią informaciją lengvai galite gauti pačiame duomenų lape, todėl šiame teste nėra nieko paslaptingo.

Aukščiau esančioje lentelėje nurodomi MOSFET pavyzdžio slenksčio lygiai ir atitinkamos bandymo sąlygos.

Dėl norimos programos dizaineris gali būti susirūpinęs dėl baimės, vadinamos „sukelta“ vartų įtampa, kuri gali būti rimta problema, pavyzdžiui, žemos pusės MOSFET sinchroninis „buck“ keitiklis .

Kaip aptarta anksčiau, čia taip pat turime suprasti, kad peržengus V slenkstį_{GS (th)}lygis negali priversti prietaiso patekti į šaudymo gedimą. Šis lygis dizaineriui iš tikrųjų nurodo ribą, iki kurios MOSFET tik pradeda įsijungti, ir nėra situacija, kai viskas tiesiog baigiasi.

Gali būti patartina, kad kai MOSFET yra išjungta, vartų įtampa būtų palaikoma žemiau V_{GS (th)}lygio, kad būtų išvengta srovės nuotėkio. Įjungus šį parametrą, šio parametro galima tiesiog nepaisyti.

Perkėlimo charakteristikos kreivė

Rasite dar vieną kreivės diagramą, pavadintą perdavimo charakteristikos MOSFET duomenų lapuose, paaiškinančiuose jo įjungimo elgesį, reaguojant į didėjančią vartų įtampą.

Tiksliau, tai gali būti labiau susiję su srovės kitimo analize, atsižvelgiant į vartų įtampą ir prietaiso korpuso temperatūrą. Šioje analizėje V_DSyra fiksuoto, bet aukšto lygio, maždaug 15 V, o tai gali neatskleisti duomenų lapo specifikacijose.

Remdamiesi kreive, kaip parodyta aukščiau, suprantame, kad 20 amperų nutekėjimo srovei 3,2 V vartų-šaltinių įtampa gali būti nepakankama.

Dėl šio derinio VDS būtų 10 V, o išsklaidymas 200 vatų.

Perkėlimo kreivės duomenys gali būti naudingi MOSFET, veikiantiems tiesiniame diapazone, tačiau kreivės duomenys gali turėti mažiau reikšmės MOSFET perjungimo programose.

Rezultatų charakteristikos

Kreivė, atskleidžianti faktinius duomenis apie visiškai įjungtą MOSFET būseną, yra žinoma kaip išvesties kreivė, kaip parodyta žemiau:

Čia įvairiems V lygiams_GSMOSFET kritimas į priekį matuojamas kaip srovės funkcija. Įrenginių inžinieriai naudoja šiuos kreivės duomenis, kad patvirtintų optimalų vartų įtampos lygį.

Kiekvienam vartų įtampos lygiui, užtikrinančiam visišką MOSFET įjungimą [R_{DS (įjungta)}], gauname įtampos kritimų diapazoną (V_GS) visoje nutekėjimo į šaltinį reakcija su drenažo srove yra tiesinė. Diapazonas prasideda nuo nulio ir aukštyn.

Žemesnėms vartų įtampoms (V._GS), padidinus nutekėjimo srovę, kreivė praranda tiesinį atsaką, juda per „kelį“ ir tada eina plokščia.

Pirmiau pateiktos kreivės detalės suteikia mums visas išėjimo charakteristikas, kai vartų įtampa svyruoja nuo 2,5 V iki 3,6 V.

MOSFET vartotojai paprastai tai gali laikyti linijine funkcija. Tačiau, priešingai, prietaisų inžinieriai gali labiau norėti atkreipti dėmesį į pilką grafiko sritį, kuri rodo dabartinę prisotinimo sritį taikant vartų įtampą.

Tai atskleidžia dabartinius duomenis, palietusius prisotinimo tašką arba prisotinimo ribą. Šiuo metu, jei V_DSpadidėjus, bus nežymiai padidėjusi srovė, tačiau nedidelis nutekėjimo srovės padidėjimas gali sukelti daug didesnę V_DS.

Jei padidėja vartų įtampos lygis, leidžiantis MOSFET visiškai įsijungti, žalios spalvos šešėliai rodo mums proceso veikimo tašką, nurodytą kaip varžos (arba omos) sritį.

Atminkite, kad čia kreivės rodo tik tipines vertes ir neapima jokių minimalių ar didžiausių ribų.

Dirbant žemesnėje aplinkos temperatūroje, prietaisui reikės didesnės vartų įtampos, kad liktų rezistinėje srityje, kuri gali pakilti aukštyn 0,3% / ° C greičiu.

Kas yra „MOSFET RDS“ (įjungta)

Kai prietaisų inžinieriai turės susidurti su MOSFET išvesties charakteristikomis, jie iš esmės norės sužinoti apie R_{DS (įjungta)}prietaiso veikimo sąlygoms.

Paprastai tai gali būti V mišinys_GSir aš_DSvisoje srityje, kurioje kreivė nukrypo nuo tiesios linijos į pilkos spalvos atspalvio dalį.

Atsižvelgiant į aukščiau aptartą pavyzdį, 3,1 V vartų įtampa, kai pradinė srovė yra 10 Amperų, ​​inžinieriai žinos, kad R_{DS (įjungta)}bus didesnė už numatomą vertę. Tai pasakę, ar tikimės, kad MOSFET gamintojas pateiks apytikslius duomenis apie tai?

Su abiem dydžiais V_DSir aš_DSlengvai gaunamas kreivėje, jis gali tapti pernelyg viliojantis ir dažnai į jį atsiduodama, norint padalyti du dydžius gautame R_{DS (įjungta)}.

Tačiau, deja, mes neturime R_{DS (įjungta)}vertinimui čia. Panašu, kad minėtose situacijose jis nepasiekiamas, nes bet kuriame krovinio linija atspindintis pasipriešinimą, turi kilti per liniją linijiniu būdu.

Be to, gali būti įmanoma imituoti apkrovos liniją agreguota forma, pavyzdžiui, netiesine varža.

Tai bent jau garantuos, kad bet koks praktinio darbo supratimas bus išlaikytas iš pradžių (0, 0).

Vartų įkrovos kreivės charakteristikos

Tai vartų įkrovos kreivės duomenys, kurie iš tikrųjų duoda mums tikrą užuominą apie MOSFET įjungimo specifikacijas, kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje :

Nors pirmiau nurodyta kreivė yra standartinė įtraukimas į visus MOSFET duomenų lapus, pagrindines indikacijas MOSFET vartotojas supranta retai.

Be to, dėl šiuolaikinės pažangos MOSFET išdėstymuose, tokiuose kaip tranšėjos ir ekranuoti vartai, reikalingas patikslintas duomenų adresavimas.

Pavyzdžiui, specifikacija, pavadinta „vartų įkrovimas“, savaime gali pasirodyti šiek tiek klaidinanti.

Tiesiniai ir padalyti kreivės pjūviai neatrodo kaip įtampa, įkraunanti kondensatorių, neatsižvelgiant į tai, kiek netiesinės vertės jis gali parodyti.

Tiksliau sakant, vartų įkrovos kreivė reiškia susietus dviejų ne lygiagrečių kondensatorių duomenis, turinčius skirtingus dydžius ir turinčius skirtingus įtampos lygius.

Teoriškai funkcinė talpa, kaip matyti iš MOSFET vartų terminalo, apibrėžiama lygtimi:

C_iss= C_gs+ C_gd

kur C_iss= vartų talpa, C_gs= vartų šaltinio talpa, C_gd= vartų nutekėjimo talpa

Nors gali būti gana paprasta išmatuoti šį vienetą ir nurodyti duomenų lapuose, reikia pažymėti, kad terminas C_issiš tikrųjų nėra reali talpa.

Gali būti visiškai neteisinga manyti, kad MOSFET įjungiamas tik naudojant įtampą, esančią vartų talpoje C_iss'.

Kaip parodyta aukščiau esančiame paveikslėlyje, prieš pat įjungiant MOFET, vartų talpa nėra įkrauta, tačiau vartų nutekėjimo C talpa_gdturi neigiamą krūvį, kurį reikia pašalinti.

Abi šios talpos yra nelinijinės prigimties, o jų vertės labai skiriasi, nes kinta naudojamos įtampos.

Taigi svarbu pažymėti, kad būtent MOSFET saugomi krūviai lemia jo perjungimo charakteristikas, o ne talpos vertė konkrečiam įtampos lygiui.

Kadangi du talpos elementai, sudarantys C_issturi skirtingus fizinius požymius, jie linkę įkrauti skirtingus įtampos lygius, todėl MOSFET įjungimo procesas taip pat reikalauja dviejų etapų.

Tiksli seka gali būti skirtinga varžinėms ir indukcinėms programoms, tačiau dažniausiai praktinės apkrovos yra labai indukcinės, procesą galima imituoti taip, kaip parodyta šiame paveiksle:

Vartų įkrovimo laiko seka

MOSFET vartų įkrovimo laiko sekas galima ištirti iš toliau pateiktos diagramos:

Tai galima suprasti tokiu paaiškinimu:

1. T0 - T1: C_gsįkrauna nuo nulio iki V_{GS (th)}... V_DSar aš_DSnepatiria jokių pokyčių.
2. T1-T2, srovė pradeda didėti MOSFET, reaguodama į didėjančią vartų įtampą iš V_{GS (th)}iki plokštumos įtampos V_gp.
3. Čia IDS padidėja ir pasiekia visą apkrovos srovę nuo 0 V, nors V_DSlieka nepakitęs ir pastovus. Susijęs krūvis susidaro per C integralą_gsnuo 0 V iki V_gpir Q_gspateiktas duomenų lapuose.
4. T2 - T3: stebėkite plokščią sritį tarp T2 ir T3, jis vadinamas Millerio plokščiakalniu.
5. Prieš įjungdami ON, C_gdįkrauna ir palaiko maitinimo įtampą V_IN, kol aš_DSpasiekia didžiausią vertę I (apkrova) ties T2.
6. Laikas tarp T2 ir T3 laikotarpio, neigiamas krūvis (V_IN- V_gp) konvertuojamas į teigiamą krūvį plokščiosios įtampos V atžvilgiu_gp.
7. Tai taip pat galima vizualizuoti kaip nutekėjimo įtampos kritimą nuo V_INmaždaug iki nulio.
8. Dalyvis yra lygus maždaug C_gdintegralas nuo 0 iki V_į, kuris rodomas kaip Q_gdduomenų lapuose.
9. T3 - T4 metu vartų įtampa kyla iš V_gpį V_GSir čia beveik nerandame jokių V pokyčių_DSir aš_DS, bet efektyvusis R_{DS (įjungta)}šiek tiek sumažėja, kai vartų įtampa kyla. Esant tam tikram įtampos lygiui virš V_gp, suteikia gamintojams pakankamai pasitikėjimo, kad būtų nustatyta viršutinė efektyviosios R riba_{DS (įjungta)}.

Indukcinėms apkrovoms

Prieš pradedant kristi įtampai, reikia užbaigti srovės padidėjimą MOSFET kanale dėl indukcinės apkrovos.

Plokščio pradžioje MOSFET yra išjungtoje būsenoje, esant didelei srovei ir įtampai per kanalizaciją į šaltinį.

Tarp laiko T2 ir T3 įkrova Q_gdyra taikomas MOSFET vartams, kur MOSFET charakteristika transformuojasi iš pastovios srovės į pastovaus pasipriešinimo režimą pabaigoje.

Kai įvyksta pirmiau minėtas perėjimas, vartų įtampa V nepastebima_gpvyksta.

Tai yra priežastis, kodėl niekada nėra išmintinga susieti MOSFET įjungimo procesą su tam tikru vartų įtampos lygiu.

Tas pats pasakytina apie išjungimo procesą, kai reikalaujama, kad tie patys du mokesčiai (aptarti anksčiau) būtų pašalinti iš MOSFET vartų priešinga tvarka.

MOSFET perjungimo greitis

Nors Q_gsplius Q_gdkartu užtikrina, kad MOSFET visiškai įsijungs, jis mums nepasako, kaip greitai tai įvyks.

Kaip greitai pasikeis srovė ar įtampa, sprendžia greitis, per kurį vartai vartuose yra naudojami ar pašalinami. Tai taip pat vadinama vartų pavaros srove.

Nors greitas pakilimo ir kritimo greitis užtikrina mažesnius perjungimo nuostolius MOSFET, tai taip pat gali sukelti sistemos lygio komplikacijų, susijusių su padidėjusia smailės įtampa, svyravimais ir elektromagnetiniais trukdžiais, ypač išjungiant indukcinę apkrovą.

Linijiškai krentanti įtampa, pavaizduota aukščiau esančiame 7 paveiksle, gali gauti pastovią Cgd vertę, kuri praktiškai gali nutikti MOSFET.

Tiksliau sakant, vartų nutekėjimo įtaisas C_gdaukštos įtampos super jungties atveju MOSFET, pvz., SiHF35N60E, turi žymiai aukštą tiesinį atsaką, kaip matyti iš šio paveikslo:

Variacijos diapazonas, esantis C reikšmėje_rss(atvirkštinis perdavimas) yra didesnis nei 200: 1 per pradinį 100 V. Dėl to tikrasis įtampos kritimo laikas prieš vartų įkrovos kreivę labiau panašus į punktyrinę liniją, raudonai parodytą 7 paveiksle.

Esant didesnei įtampai, krūvių pakilimo ir kritimo laikas kartu su jų ekvivalentinėmis dV / dt reikšmėmis labiau priklauso nuo C vertės._rss, vietoj visos kreivės integralo, nurodyto kaip Q_gd.

Kai vartotojai nori palyginti MOSFET specifikacijas skirtingose ​​dizaino aplinkose, jie turėtų suprasti, kad MOSFET su puse Q_gdvertė nebūtinai turi du kartus didesnį perjungimo dažnį arba 50% mažesnį perjungimo nuostolius.

Taip yra todėl, kad, pasak C_gdkreivę ir jos dydį esant aukštesnei įtampai, gali būti visai įmanoma, kad MOSFET duomenų lape būtų mažas Qgd, tačiau nedidinant perjungimo greičio.

Apibendrinant

Realiai įgyvendinant, MOSFET įjungimas vyksta per keletą procesų, o ne iš anksto nustatytą parametrą.

Grandinių projektuotojai turi nustoti įsivaizduoti, kad V_{GS (th)}arba įtampos lygiai galėtų būti naudojami kaip vartų įtampa MOSFET išėjimui perjungti iš aukštos į mažą R_{DS (įjungta)}.

Galvoti apie R turėjimą gali būti bergždžia_{DS (įjungta)}žemiau arba virš konkretaus vartų įtampos lygio, nes vartų įtampos lygis iš esmės nenusprendžia MOSFET įjungimo. Tai veikiau kaltinimai Q_gsir Q_gdįvesta į MOSFET, kuri atlieka darbą.

Gali būti, kad vartų įtampa pakyla virš V._{GS (th)}ir V_gpįkrovimo / iškrovimo proceso metu, tačiau tai nėra taip svarbu.

Panašiai tai, kaip greitai šiandien MOSFET gali įjungti arba išjungti, gali būti sudėtinga Q funkcija_gsarba Q_gd.

Norėdamas įvertinti MOSFET perjungimo greitį, ypač pažangius MOSFET, dizaineris turi atlikti išsamų vartų įkrovos kreivės ir prietaiso talpos charakteristikos tyrimą.

Nuoroda: https://www.vishay.com/