MOSFET-käynnistysprosessin ymmärtäminen

Oikein laskettu MOSFET-käynnistysprosessi varmistaa, että laite kytketään päälle optimaalisella tehokkuudella.

Suunnitellessasi MOSFET-pohjaisia ​​piirejä olet ehkä miettinyt, mikä on oikea tapa kytkeä MOSFET päälle? Tai yksinkertaisesti mikä on vähimmäisjännite, jota tulisi käyttää laitteen portin / lähteen yli laitteen täydelliseksi kytkemiseksi päälle?

Vaikka monissa digitaalisissa järjestelmissä tämä ei välttämättä ole ongelma, 5 V: n järjestelmät, kuten DSP: t, FPGA: t ja Arduinos, vaativat niiden tuotosten tehostaminen optimaaliselle kytkentäolosuhteelle liitetylle MOSFET-laitteelle.

Ja näissä tilanteissa suunnittelija alkaa tarkastella MOSFETin spesifikaatioita saadakseen kynnysjännitetiedot. Suunnittelija olettaa, että MOSFET kytkeytyy päälle ja muuttaa tilaa, kun tämä kynnysarvo ylitetään.

Tämä ei kuitenkaan välttämättä ole niin yksinkertaista kuin se saattaa näyttää.

Mikä on kynnysjännite V._{GS (th)}

Ensinnäkin meidän on ymmärrettävä, että kynnysjännite, jota kutsutaan V: ksi_{GS (th)}ei ole piirisuunnittelijoiden huolissaan.

Tarkemmin sanottuna porttijännite saa MOSFETin tyhjennysvirran ylittämään 250 μA: n kynnysarvon, ja tämä testataan olosuhteissa, jotka eivät koskaan tavallisesti toteudu käytännön sovelluksissa.

Tietyn analyysin aikana vakiota 5 V käytetään laitteen edellä mainittuun testaukseen. Mutta tämä testi toteutetaan yleensä portin ja laitteen tyhjennyksen ollessa kytkettyinä tai oikosulussa toisiinsa. Voit helposti saada nämä tiedot itse lomakkeesta, joten tässä testissä ei ole mitään salaperäistä.

Yllä olevassa taulukossa on esitetty kynnysarvot ja asiaankuuluvat testausolosuhteet esimerkin MOSFETille.

Halutun sovelluksen suunnittelija saattaa olla huolissaan pelottavasta tilanteesta, joka tunnetaan nimellä 'indusoitu' porttijännite, mikä voi olla vakava ongelma esimerkiksi matalan sivun MOSFETissä synkroninen buck-muunnin .

Kuten aiemmin keskusteltiin, myös tässä on ymmärrettävä kynnyksen V ylittäminen_{GS (th)}taso ei välttämättä pakota laitetta törmäämään läpilyöntihäiriöön. Tämä taso kertoo suunnittelijalle siitä kynnyksestä, jolla MOSFET vain alkaa kytkeytyä päälle, eikä se ole tilanne, jossa asiat vain loppuvat kokonaan.

Voi olla suositeltavaa, että kun MOSFET on kytketty pois päältä -tilassa, portin jännite pidetään V: n alapuolella_{GS (th)}tasolla vuotovirran estämiseksi. Mutta vaikka se kytketään päälle, tämä parametri voidaan yksinkertaisesti jättää huomiotta.

Siirron ominaiskäyrä

Löydät toisen käyräkaavion nimeltä siirron ominaisuudet MOSFET-taulukoissa, joissa selitetään sen ON ON -käyttäytyminen vasteena portin jännitteen kasvulle.

Tarkemmin sanottuna tämä voi liittyä enemmän virran vaihteluanalyysiin portin jännitteen ja laitteen kotelon lämpötilan suhteen. Tässä analyysissä V_DSpidetään kiinteällä tasolla, mutta korkealla tasolla, noin 15 V, mikä ei välttämättä paljastu datalehden teknisissä tiedoissa.

Jos viitataan edellä esitettyyn käyrään, ymmärrämme, että 20 A: n tyhjennysvirralle 3,2 V: n hila-lähde-jännite ei välttämättä ole riittävä.

Yhdistelmä johtaisi 10 V: n VDS: ään, tyypillisesti 200 watin hukkaan.

Siirtokäyrätiedot voivat olla hyödyllisiä lineaarisella alueella toimiville MOSFET-laitteille, mutta käyrätiedoilla voi olla vähemmän merkitystä MOSFET-laitteille kytkentäsovelluksissa.

Tuotoksen ominaisuudet

Käyrä, joka paljastaa todelliset tiedot MOSFETin täysin ON-tilasta, kutsutaan lähtökäyräksi, kuten alla on esitetty:

Tässä V: n eri tasoille_GSMOSFETin laskeminen eteenpäin mitataan virran funktiona. Laiteinsinöörit käyttävät tätä käyrätietoa vahvistaakseen portin jännitteen optimaalisen tason.

Jokaiselle porttijännitteen tasolle, joka varmistaa MOSFETin täydellisen PÄÄLLÄ-kytkennän [R_{DS (päällä)}], saadaan jännitehäviöiden alue (V_GS) koko viemäristä lähteeseen, jonka vaste on täysin lineaarinen tyhjennysvirran kanssa. Alue alkaa nollasta ylöspäin.

Alemmille porttijännitteille (V_GS), kun tyhjennysvirtaa lisätään, käyrä menettää lineaarisen vasteen, liikkuu polven läpi ja menee sitten tasaiseksi.

Yllä olevat käyrän yksityiskohdat antavat meille täydelliset lähtöominaisuudet hilajännitealueelle 2,5 V - 3,6 V.

MOSFET-käyttäjät voivat normaalisti pitää tätä lineaarisena funktiona. Laitteiden insinöörit saattavat sen sijaan mieluummin kiinnittää enemmän huomiota kaavion harmaaseen alueeseen, mikä viittaa nykyiseen kyllästysalueeseen käytetylle hilajännitteelle.

Se paljastaa nykyiset tiedot, jotka ovat koskettaneet kyllästyspistettä tai kyllästysrajaa. Tässä vaiheessa, jos V_DSLisääntynyt johtaa virran marginaaliseen kasvuun, mutta pieni tyhjennysvirran kasvu voi johtaa paljon suurempaan V: hen_DS.

Jos portin jännitetaso on noussut, mikä antaa MOSFETille mahdollisuuden kytkeytyä kokonaan päälle, vihreä varjostettu alue näyttää prosessin toimintapisteen, joka on osoitettu resistiivisenä (tai ohmisena) alueena.

Huomaa, että käyrät esittävät vain tyypillisiä arvoja eivätkä sisällä minimi- tai maksimirajoja.

Kun laite toimii alhaisemmissa lämpötiloissa, laite vaatii suurempaa hilajännitettä pysyäkseen resistiivisellä alueella, mikä voi nousta ylöspäin nopeudella 0,3% / ° C.

Mikä on MOSFET RDS (päällä)

Kun laiteinsinöörien on kohdattava MOSFETin lähtöominaisuudet, he haluavat lähinnä oppia R: stä_{DS (päällä)}laitteen käyttöolosuhteet.

Yleensä tämä voi olla sekoitus V: tä_GSja minä_DSsen alueen poikki, jolla käyrä on poikennut suorasta viivaan harmaan sävyn osoittamaan osaan.

Kun otetaan huomioon edellä käsitelty esimerkki, hilajännite 3,1 V ja alkuvirta 10 A, insinöörit tietävät, että R_{DS (päällä)}on yleensä suurempi kuin arvioitu arvo. Tämän sanottuaan odotamme MOSFET-valmistajan toimittavan likimääräisen tiedon tästä?

Molemmilla määrillä V_DSja minä_DShelposti saatavissa käyrästä, se voi tulla liian houkuttelevaksi ja usein luovutettavaksi jakamaan nämä kaksi määrää tuloksella R_{DS (päällä)}.

Valitettavasti meillä ei kuitenkaan ole R-kirjainta_{DS (päällä)}arviointia varten. Vaikuttaa siltä, ​​että se ei ole käytettävissä mainituissa tilanteissa, koska missään osiossa kuormituslinja vastustusta edustavan on läpäistävä origo lineaarisesti.

Tästä huolimatta voi olla mahdollista simuloida kuormituslinjaa yhdistetyssä muodossa kuin epälineaarinen vastus.

Ainakin tämä takaa, että ymmärrys käytännön työstä säilyy alkupuolella (0, 0).

Portin latauskäyrän ominaisuudet

Portaan latauskäyrätiedot antavat meille todellisen vihjeen MOSFET-laitteen käynnistysominaisuuksista, kuten alla olevassa kuvassa :

Vaikka yllä oleva käyrä sisältyy vakiona kaikkiin MOSFET-taulukoihin, MOSFET-käyttäjä ymmärtää taustalla olevat indikaatiot harvoin.

Lisäksi MOSFET-asettelujen, kuten kaivannon ja suojattujen porttien, nykyaikainen kehitys edellyttää tietojen tarkistettua tarkistamista.

Esimerkiksi spesifikaatio, jonka nimi on 'gate-charge', voi näyttää itsessään hieman harhaanjohtavalta.

Käyrän lineaariset ja jaetut osat eivät näytä kondensaattoria lataavalta jännitteeltä riippumatta siitä, kuinka paljon epälineaarista arvoa sillä voi olla.

Tarkemmin sanottuna portin latauskäyrä merkitsee kahden ei-rinnakkaisen kondensaattorin liittyvää dataa, joilla on erilaiset suuruudet ja joilla on erilaiset jännitetasot.

Teoriassa toiminnallinen kapasitanssi, kuten MOSFET-portin päätelaite todistaa, määritetään yhtälöllä:

C_iss= C_gs+ C_gd

missä C_iss= portin kapasitanssi, C_gs= porttilähteen kapasitanssi, C_gd= portin tyhjennyskapasitanssi

Vaikka voi tuntua melko yksinkertaiselta mitata tätä yksikköä ja määritellä taulukoissa, on huomattava, että termi C_issei todellakaan ole todellinen kapasitanssi.

Voi olla täysin väärin ajatella, että MOSFET kytketään päälle vain portin kapasitanssiin C syötetyn jännitteen kautta_iss'.

Kuten yllä olevassa kuvassa on esitetty, juuri ennen MOFET-laitteen virran kytkemistä portin kapasitanssilla ei ole varausta, mutta portin tyhjennyksen C kapasitanssi_gdon negatiivinen varaus, joka on poistettava.

Molemmilla kapasitansseilla on epälineaarinen luonne ja niiden arvot vaihtelevat suuresti käytettyjen jännitteiden vaihdellessa.

Siksi on tärkeää huomata, että MOSFETin tallennetut varaukset määräävät sen kytkentäominaisuudet, eikä kapasitanssiarvo tietylle jännitetasolle.

Koska kaksi kapasitanssielementtiä, jotka muodostavat C: n_issjoilla on erilaiset fyysiset ominaisuudet, heillä on taipumus latautua erilaisilla jännitetasoilla, mikä vaatii myös MOSFETin käynnistysprosessin läpi kahden vaiheen.

Tarkka järjestys voi olla erilainen resistiivisissä ja induktiivisissa sovelluksissa, mutta tyypillisimmät käytännölliset kuormat ovat erittäin induktiivisia, joten prosessi voitaisiin simuloida seuraavassa kuvassa esitetyllä tavalla:

Porttilatauksen ajoitusjärjestys

MOSFETin portin latauksen ajoitussekvenssejä voidaan tutkia alla olevasta kaaviosta:

Se voidaan ymmärtää seuraavalla selityksellä:

1. T0 - T1: C_gslatautuu nollasta V: hen_{GS (th)}... V_DStai minä_DSei tee muutoksia.
2. T1-T2, virta alkaa nousta MOSFET: ssä vasteena nousevalle hilajännitteelle V: sta_{GS (th)}tasangon jännitteeseen V saakka_gp.
3. Tässä IDS kasvaa ja saavuttaa täyden kuormitusvirran 0 V: sta, vaikka V_DSpysyy muuttumattomana ja vakiona. Liittyvä varaus muodostuu C: n integraalin kautta_gs0 V - V_gpja Q_gsannettu taulukoissa.
4. T2 - T3: Tarkkaile tasaista aluetta T2: n ja T3: n välillä, sitä kutsutaan Millerin tasangoksi.
5. Ennen virran kytkemistä C_gdlataa ja ylläpitää syöttöjännitettä V._SISÄÄN, kunnes minä_DSsaavuttaa huippuarvon I (kuorma) T2: ssa.
6. Ajanjaksojen T2 ja T3 välinen aika, negatiivinen varaus (V_SISÄÄN- V_gp) muuttuu positiiviseksi varaukseksi tasangon jännitteen V suhteen_gp.
7. Tämä voidaan myös visualisoida tyhjennysjännitteen putoamisena V: stä_SISÄÄNmelkein nollaan.
8. Mukana oleva varaus on yhtä suuri kuin noin C_gdintegraali välillä 0 - V_sisään, joka näkyy Q: na_gdtaulukoissa.
9. T3 - T4: n aikana portin jännite nousee V: stä_gpkohtaan V_GS, ja täällä löydämme tuskin mitään muutosta V: lle_DSja minä_DS, mutta todellinen R_{DS (päällä)}laskee hieman portin jännitteen noustessa. Jossakin jännitetasossa V: n yläpuolella_gp, antaa valmistajille tarpeeksi varmuutta kiinnittää efektiivisen R: n yläraja_{DS (päällä)}.

Induktiivisille kuormille

Induktiivisen kuormituksen aiheuttama virran nousu MOSFET-kanavalla on saatava päätökseen ennen kuin jännite alkaa laskea.

Tasangon alussa MOSFET on OFF-tilassa korkean virran ja jännitteen läsnä ollessa viemärissä lähteeseen.

Ajan T2 ja T3 välillä varaus Q_gdkäytetään MOSFET-porttiin, jossa MOSFET-ominaisuus muuttuu vakiovirrasta vakiovastustilaan lopussa.

Kun yllä mainittu siirtymä tapahtuu, ei mitään havaittavaa muutosta hilajännitteessä V_gptapahtuu.

Tästä syystä ei ole koskaan viisasta yhdistää MOSFET-käynnistysprosessia mihinkään tiettyyn portin jännitteen tasoon.

Sama voi päteä katkaisuprosessille, joka vaatii samojen kahden (aiemmin keskustellun) varauksen poistamista MOSFETin portista päinvastaisessa järjestyksessä.

MOSFET-kytkentänopeus

Vaikka Q_gsplus Q_gdyhdessä varmistetaan, että MOSFET kytkeytyy kokonaan päälle, se ei kerro meille kuinka nopeasti tämä tapahtuu.

Kuinka nopeasti virta tai jännite vaihtuu, määräytyy nopeuden kautta, jonka kautta portin varauselementit viedään tai poistetaan. Tätä kutsutaan myös portin käyttövirraksi.

Vaikka nopea nousu- ja laskunopeus varmistaa pienemmät kytkentähäviöt MOSFET-laitteissa, nämä voivat myös aiheuttaa järjestelmän tason komplikaatioita, jotka liittyvät lisääntyneisiin huippujännitteisiin, värähtelyihin ja sähkömagneettisiin häiriöihin, erityisesti induktiivisen kuormituksen sammutushetkien aikana.

Edellä olevassa kuvassa 7 kuvattu lineaarisesti laskeva jännite onnistuu ottamaan vakion Cgd-arvon, mitä tuskin tapahtuu MOSFET-laitteille käytännön sovelluksissa.

Tarkemmin sanottuna portin tyhjennysvaraus C_gdsuurjännitteisen superliitoksen kohdalla MOSFET: llä, kuten SiHF35N60E, on huomattavasti suuri lineaarinen vaste, kuten voidaan nähdä seuraavasta kuvasta:

C-arvon olemassa oleva vaihtelualue_rss(käänteinen siirto) on yli 200: 1 alkuperäisen 100 V: n sisällä. Tästä johtuen jännitteen todellinen putoamisaika portin varauskäyrää vastaan ​​näyttää enemmän kuin katkoviiva, joka on esitetty punaisella värillä kuvassa 7.

Suuremmilla jännitteillä varausten nousu- ja laskuajat sekä niiden vastaavat dV / dt-arvot ovat riippuvaisempia C: n arvosta_rss, Q: na merkityn koko käyrän integraalin sijasta_gd.

Kun käyttäjät haluavat verrata MOSFET-määrityksiä eri suunnitteluympäristöissä, heidän on ymmärrettävä, että MOSFET puolella Q: sta_gdarvo ei välttämättä sisällä kaksi kertaa nopeampaa kytkentätaajuutta tai 50% vähemmän kytkentähäviöitä.

Tämä johtuu siitä, että C: n mukaan_gdkäyrä ja sen suuruus suuremmilla jännitteillä, voi olla täysin mahdollista, että MOSFET: llä on matala Qgd taulukossa, mutta lisäämättä kytkentänopeutta.

Yhteenveto

Todellisessa toteutuksessa MOSFET-laitteen kytkeminen päälle tapahtuu useiden prosessien kautta eikä ennalta määrätyllä parametrilla.

Piirisuunnittelijoiden on lakattava kuvittelemasta, että V_{GS (th)}, tai jännitetasoja voidaan käyttää porttijännitteenä MOSFET-lähdön vaihtamiseksi suuresta R: ään_{DS (päällä)}.

Voi olla turhaa ajatella R: n hankkimista_{DS (päällä)}tietyn hilajännitetason alapuolella tai yläpuolella, koska hilajännitetaso ei itsessään päätä MOSFETin kytkemistä päälle. Pikemminkin syytteet Q_gsja Q_gdkäyttöön MOSFETiin, joka suorittaa työn.

Portin jännite saattaa nousta V: n yläpuolelle_{GS (th)}ja V_gplatauksen / purkamisen aikana, mutta nämä eivät ole niin tärkeitä.

Samoin se, kuinka nopeasti tänään MOSFET voi kytkeytyä päälle tai pois päältä, voi olla Q: n monimutkainen tehtävä_gstai Q_gd.

MOSFET-kytkentänopeuksien, erityisesti edistyneiden MOSFET-laitteiden, arvioimiseksi suunnittelijan on suoritettava kattava tutkimus portin latauskäyrästä ja laitteen kapasitanssiominaisuuksista.

Viite: https://www.vishay.com/