Descripció del procés d'activació del MOSFET

Un procés d’activació del MOSFET correctament calculat garanteix que el dispositiu s’encengui amb una eficiència òptima.

Durant el disseny de circuits basats en MOSFET, potser us hauríeu preguntat quina és la manera correcta d’encendre un MOSFET? O simplement, quin és el voltatge mínim que s’hauria d’aplicar a través de la porta / font del dispositiu per engegar-lo perfectament?

Tot i que per a molts sistemes digitals això pot no ser un problema, els sistemes de 5V com DSP, FPGA i Arduinos requereixen augment dels seus resultats per obtenir condicions de commutació òptimes per al MOSFET connectat.

I en aquestes situacions, el dissenyador comença a mirar les especificacions del MOSFET per obtenir les dades de voltatge llindar. El dissenyador assumeix que el MOSFET s'encendria i canviaria d'estat quan es creua aquest nivell llindar.

Tanmateix, pot ser que això no sigui tan senzill com pot semblar.

Què és el llindar de la tensió V_{GS (th)}

Primer de tot, hem d’adonar-nos que el voltatge llindar, denominat V_{GS (th)}no és preocupació pels dissenyadors de circuits.

Per ser precisos, és la tensió de la porta la que fa que el corrent de drenatge del MOSFET creixi un nivell llindar de 250 μA, i es prova en condicions que normalment no podrien transpirar en aplicacions pràctiques.

Durant determinades anàlisis, s’utilitza una constant de 5V per a les proves esmentades anteriorment del dispositiu. Però aquesta prova normalment s’implementa amb la porta i el drenatge del dispositiu connectats o en curtcircuit. Podeu obtenir fàcilment aquesta informació al propi full de dades, de manera que no hi ha res de misteriós en aquesta prova.

La taula anterior indica els nivells de llindar i les condicions de prova rellevants per a un exemple de MOSFET.

Per a una aplicació desitjada, el dissenyador podria estar preocupat per una situació temuda coneguda com a tensió de porta 'induïda', que pot ser un problema greu, per exemple, en un MOSFET lateral baix de convertidor de dòlar síncron .

Com s’ha comentat anteriorment, també aquí hem d’entendre que creuar el llindar V_{GS (th)}el nivell no pot forçar el dispositiu a entrar en una condició de ruptura disparada. En realitat, aquest nivell indica al dissenyador el llindar en què el MOSFET només comença a activar-se i no és una situació en què les coses acabin del tot.

Pot ser aconsellable que mentre el MOSFET estigui en estat apagat, el voltatge de la porta es mantingui per sota de la V_{GS (th)}nivell, per evitar fuites de corrent. Però, tot activant-lo, es pot ignorar aquest paràmetre.

Corba característica de transferència

Trobareu un altre diagrama de corba anomenat característiques de transferència a fulls de dades de MOSFET que expliquen el seu comportament d’encès en resposta a l’augment del voltatge de la porta.

Per ser precisos, això pot estar més relacionat amb l'anàlisi de la variació de corrent pel que fa a la tensió de la porta i la temperatura de la caixa del dispositiu. En aquesta anàlisi el V_DSes manté a un nivell fix però alt, al voltant dels 15V, que potser no es revelen a les especificacions del full de dades.

Si ens referim a la corba tal com es mostra a dalt, ens adonem que per a un corrent de drenatge de 20 Amp, el voltatge de porta a font de 3,2 V pot no ser adequat.

La combinació donaria lloc a un VDS de 10 V normalment amb una dissipació de 200 watts.

Les dades de la corba de transferència poden ser útils per als MOSFET operats en el rang lineal, tot i que les dades de la corba poden tenir menys importància per als MOSFET en aplicacions de commutació.

Característiques de sortida

La corba que revela les dades reals sobre l'estat completament activat d'un MOSFET es coneix com a corba de sortida com es mostra a continuació:

Aquí, per als diferents nivells de V_GSla caiguda directa del MOSFET es mesura en funció del corrent. Els enginyers de dispositius utilitzen aquestes dades de corba per confirmar el nivell òptim de tensió de la porta.

Per a cada nivell de tensió de la porta que garanteix un encès complet del MOSFET [R_{DS (activat)}], obtenim un rang de caigudes de tensió (V_GS) a través de drenatge a font amb resposta estrictament lineal amb corrent de drenatge. El rang comença des de zero i cap amunt.

Per a tensions de comporta inferiors (V_GS), quan augmenta el corrent de drenatge, trobem que la corba perd la resposta lineal, es mou pel 'genoll' i es dirigeix ​​cap a la plana.

Els detalls de la corba anteriors ens proporcionen les característiques de sortida completes per a un rang de tensions de porta de 2,5 V a 3,6 V.

Els usuaris de MOSFET normalment poden considerar-ho com la funció lineal. No obstant això, en canvi, els enginyers de dispositius poden preferir prestar més atenció a la regió gris del gràfic, que suggereix la regió de saturació actual per al voltatge de porta aplicat.

Revela les dades actuals que han tocat el punt de saturació o el límit de saturació. En aquest punt, si el V_DSs'incrementa donarà lloc a un augment marginal del corrent, però un petit augment del corrent de drenatge pot conduir a una V molt més gran_DS.

Per augmentar els nivells de tensió de la porta, que permeten que el MOSFET s'encengui completament, la zona amb ombra verda ens mostrarà el punt de funcionament del procés, indicat com a regió resistiva (o òhmica).

Tingueu en compte que les corbes aquí només mostren els valors típics i no inclouen límits mínims ni màxims.

Mentre funciona a temperatures ambientals més baixes, el dispositiu requerirà un voltatge de porta més alt per mantenir-se a la regió resistiva, que pot augmentar a un ritme del 0,3% / ° C.

Què és MOSFET RDS (activat)

Quan els enginyers de dispositius han de trobar les característiques de sortida del MOSFET, essencialment voldran conèixer el R_{DS (activat)}del dispositiu amb referència a les condicions específiques de funcionament.

En general, això pot ser una barreja de V_GSi jo_DSa través de l'àrea on la corba s'ha desviat de la línia recta a la porció indicada per l'ombra gris.

Tenint en compte l’exemple comentat anteriorment, una tensió de la porta de 3,1 V amb un corrent inicial de 10 amperes, els enginyers sabran que la R_{DS (activat)}tendirà a ser superior al valor estimat. Dit això, esperem que el fabricant de MOSFET proporcioni dades aproximades al respecte?

Amb les dues quantitats V_DSi jo_DSfàcilment obtingut a la corba pot resultar massa atractiu, i sovint es lliura en, per dividir les dues quantitats a la R resultant_{DS (activat)}.

Tot i això, malauradament no tenim una R_{DS (activat)}per a la valoració aquí. Sembla que no està disponible per a les situacions esmentades, ja que per a qualsevol secció del línia de càrrega representar una resistència ha de travessar l'origen de manera lineal.

Dit això, pot ser possible simular la línia de càrrega de forma agregada com una resistència no lineal.

Com a mínim, això garantirà que qualsevol comprensió del treball pràctic es mantingui a l’origen (0, 0).

Característiques de la corba de càrrega de la porta

Són les dades de la corba de càrrega de la porta les que realment ens donen una pista real sobre les especificacions d’activació del MOSFET tal com es mostra a la figura següent :

Tot i que la corba anterior és una inclusió estàndard a totes les fitxes tècniques de MOSFET, les indicacions subjacents poques vegades són compreses per l'usuari de MOSFET.

A més, els avanços moderns en els dissenys de MOSFET, com ara les trinxeres i les portes blindades, requereixen una direcció revisada de les dades.

Per exemple, l'especificació anomenada 'gate-charge' pot semblar lleugerament enganyosa.

Les seccions lineals i dividides de la corba no apareixen com la tensió que carrega un condensador, independentment del valor no lineal que pugui presentar.

Per ser precisos, la corba de càrrega de la porta significa una dada associada de dos condensadors no paral·lels, que tenen magnituds diferents i que porten nivells de voltatge diferents.

En teoria, la capacitat funcional tal com es desprèn del terminal de la porta MOSFET es defineix amb l'equació:

C_iss= C_gs+ C_gd

on C_iss= capacitat de la porta, C_gs= capacitat de la font de la porta, C_gd= capacitat de drenatge de la porta

Tot i que pot semblar bastant senzill mesurar aquesta unitat i especificar-la a les fitxes tècniques, cal tenir en compte que el terme C_issen realitat no és una capacitat real.

Pot ser completament erroni pensar que un MOSFET s’activa només mitjançant una tensió aplicada a la capacitat de la porta C_iss'.

Com s’indica a la figura anterior, just abans que el MOFET s’encengui, la capacitat de la porta no té cap càrrega, però la capacitat a la sortida de la porta C_gdposseeix una càrrega negativa que cal eliminar.

Ambdues capacitats tenen una naturalesa no lineal i els seus valors varien en gran mesura que varien les tensions aplicades.

Per tant, és important tenir en compte que són les càrregues emmagatzemades del MOSFET les que determinen les seves característiques de commutació i no el valor de la capacitat per a un nivell de voltatge específic.

Atès que els dos elements de capacitat que constitueixen C_isstenen atributs físics diferents, tendeixen a carregar-se amb nivells de voltatge diferents, cosa que requereix que el procés d’encesa del MOSFET també passi per dues etapes.

La seqüència precisa pot ser diferent per a aplicacions resistives i inductives, però normalment les càrregues més pràctiques són altament inductives, el procés es podria simular tal com es mostra a la figura següent:

Seqüència de temps de càrrega de porta

Les seqüències de temps de càrrega de la porta del MOSFET es poden estudiar a partir del diagrama següent:

Es pot entendre amb la següent explicació:

1. T0 - T1: C_gscàrregues de zero a V._{GS (th)}... V_DSo jo_DSno passa per cap canvi.
2. T1-T2, el corrent comença a pujar al MOSFET en resposta a la creixent tensió de la porta de V_{GS (th)}fins a la tensió V de l'altiplà_gp.
3. Aquí, IDS augmenta i arriba al corrent de càrrega completa des de 0 V, encara que V_DSroman inalterat i constant. La càrrega associada es forma a través de la integral de C_gsde 0 V a V_gpi Q_gsdonats als fulls de dades.
4. T2 - T3: observeu la regió plana entre T2 i T3, es diu l'altiplà de Miller.
5. Abans d’encendre’l, C_gdcarrega i manté la tensió d'alimentació V_IN, fins que jo_DSassoleix el valor màxim I (càrrega) a T2.
6. El temps entre el període T2 i T3, la càrrega negativa (V_IN- V_gp) es converteix en càrrega positiva respecte a la tensió V de l'altiplà_gp.
7. Això també es pot visualitzar com la caiguda de la tensió de drenatge de V_INal voltant de gairebé zero.
8. La càrrega implicada és igual al voltant del C_gdintegral de 0 a V_dins, que es mostra com a Q_gda fulls de dades.
9. Durant T3 - T4, la tensió de la porta puja de V_gpa V_GS, i aquí gairebé no hi ha cap canvi per a V_DSi jo_DS, però la R efectiva_{DS (activat)}cau lleugerament a mesura que augmenta el voltatge de la porta. En algun nivell de tensió per sobre de V_gp, proporciona als fabricants la confiança suficient per fixar el límit superior de la R efectiva_{DS (activat)}.

Per a càrregues inductives

Cal augmentar l’augment de corrent al canal MOSFET a causa d’una càrrega inductiva abans que la tensió comenci a caure.

A l’inici de l’altiplà, el MOSFET es troba en estat OFF, en presència d’un alt corrent i voltatge a través del desguàs fins a la font.

Entre el temps T2 i T3, una càrrega Q_gds'aplica a la porta del MOSFET, en què la característica MOSFET es transforma de corrent constant a mode de resistència constant al final.

Quan es produeix la transició anterior, no es produeix cap canvi notable en la tensió V de la porta_gpté lloc.

Aquesta és la raó per la qual mai no és una idea encertada relacionar un procés d’encesa del MOSFET amb un nivell particular de tensió de la porta.

El mateix pot passar per al procés d’apagada, que exigeix ​​eliminar les mateixes dues càrregues (comentades anteriorment) de la porta del MOSFET en l’ordre contrari.

Velocitat de commutació MOSFET

Mentre Q_gsmés Q_gdjunts garanteix que el MOSFET s'encengui completament, no ens indica la rapidesa amb què passarà això.

La velocitat amb què canviarà el corrent o el voltatge es basa en la velocitat a través de la qual s’apliquen o s’eliminen els elements de càrrega de la porta. Això també es denomina corrent de la unitat de porta.

Tot i que una taxa de pujada i baixada ràpida garanteix pèrdues de commutació menors en els MOSFET, aquestes també poden donar lloc a complicacions del nivell del sistema relacionades amb l’augment de les tensions màximes, les oscil·lacions i les interferències electromagnètiques, especialment durant els moments d’apagat de la càrrega inductiva.

La tensió de caiguda lineal representada a la figura 7 arriba a prendre un valor constant de Cgd, cosa que difícilment pot passar als MOSFET en aplicacions pràctiques.

Per ser precisos, la càrrega C-drenatge de la porta_gdper a una superjunció d'alta tensió, el MOSFET com SiHF35N60E presenta una resposta lineal significativament alta, com es pot veure a la figura següent:

L'interval de variació que existeix en el valor de C_rss(transferència inversa) supera els 200: 1 dins dels 100 V. inicials. A causa d'això, el temps real de caiguda de la tensió contra la corba de càrrega de la porta sembla més aviat com la línia discontínua que es mostra en color vermell a la figura 7.

A tensions més altes, els temps de pujada i baixada de les càrregues, juntament amb els seus equivalents valors dV / dt depenen més del valor de C_rss, en lloc de la integral de tota la corba indicada com a Q_gd.

Quan els usuaris volen comparar les especificacions del MOSFET dins de diferents entorns de disseny, haurien d’adonar-se que el MOSFET té la meitat de la Q_gdel valor no tindrà necessàriament una taxa de commutació dues vegades més ràpida, ni un 50% menys de pèrdues de commutació.

Això es deu al fet que, segons la C_gdi la seva magnitud a tensions més altes, pot ser molt possible que un MOSFET tingui un Qgd baix en el full de dades, però sense cap augment de la velocitat de commutació.

Resumint

En la implementació real, l’encesa d’un MOSFET passa per una sèrie de processos i no amb un paràmetre predeterminat.

Els dissenyadors de circuits han de deixar d’imaginar que V_{GS (th)}, o es poden utilitzar nivells de tensió com a tensió de la porta per canviar la sortida MOSFET de R a baixa_{DS (activat)}.

Pot ser inútil pensar en tenir una R_{DS (activat)}per sota o per sobre d’un nivell de tensió de porta específic, ja que el nivell de tensió de porta no decideix intrínsecament l’activació d’un MOSFET. Més aviat són els càrrecs Q_gsi Q_gdintroduït al MOSFET que executa el treball.

És possible que el voltatge de la porta creixi per sobre de V_{GS (th)}i V_gpdurant el procés de càrrega / descàrrega, però no són tan importants.

De la mateixa manera, la rapidesa amb què MOSFET es pot activar o desactivar avui pot ser una funció complexa de Q_gso Q_gd.

Per avaluar les velocitats de commutació de MOSFET, especialment els MOSFET avançats, el dissenyador ha de realitzar un estudi exhaustiu sobre la corba de càrrega de la porta i la capacitat de característica del dispositiu.

Referència: https://www.vishay.com/