Izpratne par MOSFET ieslēgšanas procesu

Pareizi aprēķināts MOSFET ieslēgšanas process nodrošina ierīces ieslēgšanu ar optimālu efektivitāti.

Veidojot MOSFET balstītas shēmas, jūs varētu domāt, kā pareizi ieslēgt MOSFET? Vai vienkārši kāds ir minimālais spriegums, kas jāpieliek pāri ierīces vārtiem / avotam, lai to perfekti ieslēgtu?

Lai gan daudzām digitālajām sistēmām tas, iespējams, nav problēma, 5V sistēmām, piemēram, DSP, FPGA un Arduinos, ir nepieciešama to rezultātu palielināšana optimālam pārslēgšanās nosacījumam pievienotajam MOSFET.

Un šajās situācijās dizaineris sāk apskatīt MOSFET specifikācijas, lai iegūtu sliekšņa sprieguma datus. Dizainers pieņem, ka MOSFET ieslēgtos un mainītu stāvokli, kad tiek pārsniegts šis sliekšņa līmenis.

Tomēr tas var nebūt tik vienkārši, kā var šķist.

Kas ir sliekšņa spriegums V_{GS (th)}

Vispirms mums jāapzinās, ka sliekšņa spriegums, kas apzīmēts kā V_{GS (th)}ķēdes dizaineriem nav jāuztraucas.

Precīzāk sakot, tas ir vārtu spriegums, kas MOSFET iztukšošanas strāvai liek šķērsot 250 μA sliekšņa līmeni, un tas tiek pārbaudīts apstākļos, kas praktiski nekad parasti neizdodas atklāt.

Noteiktas analīzes laikā iepriekšminētajai ierīces pārbaudei tiek izmantots nemainīgs 5 V. Bet šo pārbaudi parasti īsteno ar vārtiem un ierīces aizplūšanu, kas ir savienoti vai saīsināti viens ar otru. Šo informāciju varat viegli iegūt pašā datu lapā, tāpēc šajā testā nav nekā noslēpumaina.

Iepriekš redzamajā tabulā ir norādīti sliekšņa līmeņi un attiecīgie testa apstākļi MOSFET piemēram.

Par vēlamo lietojumu dizainers varētu būt noraizējies par drausmīgu situāciju, kas pazīstama kā “inducēts” vārtu spriegums, kas var būt nopietna problēma, piemēram, zemas puses sinhronais buks pārveidotājs .

Kā tika apspriests iepriekš, arī šeit mums jāsaprot, ka V sliekšņa pārsniegšana_{GS (th)}līmenis var nepiespiest ierīci nokļūt pārrāvuma bojājuma stāvoklī. Šis līmenis dizainerim faktiski stāsta par slieksni, pie kura MOSFET tikai sāk ieslēgties, un tas nav stāvoklis, kad viss vienkārši beidzas.

Var būt ieteicams, kamēr MOSFET ir izslēgta stāvoklī, vārtu spriegums tiek uzturēts zem V_{GS (th)}līmenī, lai novērstu pašreizējo noplūdi. Bet, to ieslēdzot, šo parametru var vienkārši ignorēt.

Pārneses raksturīgā līkne

Jūs atradīsit vēl vienu līknes diagrammu ar nosaukumu pārsūtīšanas īpašības MOSFET datu lapās, izskaidrojot tā ieslēgšanās uzvedību, reaģējot uz vārtu sprieguma palielināšanos.

Precīzāk, tas var būt vairāk saistīts ar strāvas izmaiņu analīzi attiecībā uz vārtu spriegumu un ierīces korpusa temperatūru. Šajā analīzē V_DStiek turēts fiksētā līmenī, bet augstā līmenī, aptuveni 15 V, kas, iespējams, netiek atklāts datu lapas specifikācijās.

Ja mēs atsaucamies uz līkni, kā parādīts iepriekš, mēs saprotam, ka 20 ampēru iztukšošanas strāvai 3,2 V vārtu-avotu spriegums var nebūt piemērots.

Kombinācijas rezultātā VDS būtu 10 V, parasti izkliedējot 200 vatus.

Pārsūtīšanas līknes dati var būt noderīgi MOSFET, kas darbojas lineārā diapazonā, tomēr līknes datiem var būt mazāka nozīme MOSFET, pārslēdzot lietojumprogrammas.

Rezultāta raksturojums

Līkne, kas atklāj faktiskos datus par pilnībā ieslēgtu MOSFET stāvokli, ir pazīstama kā izejas līkne, kā parādīts zemāk:

Šeit dažādiem V līmeņiem_GSMOSFET kritumu uz priekšu mēra kā strāvas funkciju. Ierīču inženieri izmanto šos līknes datus, lai apstiprinātu vārtu sprieguma optimālo līmeni.

Katram vārtu sprieguma līmenim, kas nodrošina MOSFET pilnīgu ieslēgšanu [R_{DS (ieslēgts)}], mēs iegūstam sprieguma kritumu diapazonu (V_GS) visā kanalizācijā līdz avotam ar stingri lineāru reakciju ar drenāžas strāvu. Diapazons sākas no nulles un uz augšu.

Zemākam vārtu spriegumam (V._GS), kad drenāžas strāva ir palielināta, mēs konstatējam, ka līkne zaudē lineāro reakciju, pārvietojas pa 'ceļu' un pēc tam iet plakana.

Iepriekš minētās līknes detaļas sniedz mums pilnīgus izejas raksturlielumus vārtu sprieguma diapazonam no 2,5 V līdz 3,6 V.

MOSFET lietotāji to parasti var uzskatīt par lineāru funkciju. Tomēr pretēji ierīču inženieri var dot priekšroku vairāk uzmanības pievērst pelēkajam grafika apgabalam, kas liecina par pašreizējo piesātinājuma apgabalu pielietotajam vārtu spriegumam.

Tas atklāj pašreizējos datus, kas skāruši piesātinājuma punktu vai piesātinājuma robežu. Šajā brīdī, ja V_DSpalielinās, novedīs pie strāvas neliela pieauguma, bet neliels drenāžas strāvas pieaugums var izraisīt daudz lielāku V_DS.

Lai palielinātu vārtu sprieguma līmeni, kas ļauj MOSFET pilnībā ieslēgt, zaļā nokrāsotā zona parādīs procesa darbības punktu, kas norādīts kā pretestības (vai ommas) reģions.

Lūdzu, ņemiet vērā, ka līknes šeit parāda tikai tipiskās vērtības un neietver nekādas minimālās vai maksimālās robežas.

Darbojoties zemākā apkārtējās vides temperatūrā, ierīcei būs nepieciešams lielāks vārtu spriegums, lai paliktu pretestības zonā, kas var palielināties ar ātrumu 0,3% / ° C.

Kas ir MOSFET RDS (ieslēgts)

Kad ierīču inženieriem ir jāsaskaras ar MOSFET izejas īpašībām, viņi būtībā vēlēsies uzzināt par R_{DS (ieslēgts)}ierīces īpašajiem darbības apstākļiem.

Parasti tas var būt V sajaukums_GSun es_DSvisā apgabalā, kur līkne ir novirzījusies no taisnas līnijas uz daļu, ko norāda pelēkā nokrāsa.

Ņemot vērā iepriekš apspriesto piemēru, vārtu spriegums 3,1 V ar sākotnējo strāvu 10 ampēri, inženieri zinās, ka R_{DS (ieslēgts)}mēdz būt lielāka par aplēsto vērtību. To sakot, vai mēs sagaidām, ka MOSFET ražotājs par to sniegs aptuvenus datus?

Ar abiem lielumiem V_DSun es_DSviegli iegūstams līknē, tas var kļūt pārāk vilinošs un bieži tiek atdots, lai sadalītu abus lielumus pie iegūtā R_{DS (ieslēgts)}.

Tomēr diemžēl mums nav R_{DS (ieslēgts)}novērtējumam šeit. Šķiet, ka minētajās situācijās tas nav pieejams, jo jebkurai programmas sadaļai kravas līnija kas pārstāv pretestību, lineāri jāšķērso izcelsme.

Tas nozīmē, ka var būt iespējams simulēt slodzes līniju apkopotā formā, piemēram, nelineāru pretestību.

Tas vismaz garantēs, ka jebkāda izpratne par praktisko darbu tiek saglabāta izcelsmes vietā (0, 0).

Vārtu uzlādes līknes raksturojums

Tieši vārtu līknes dati faktiski dod mums reālu mājienu par MOSFET ieslēgšanas specifikācijām, kā parādīts zemāk redzamajā attēlā :

Lai gan iepriekš minētā līkne ir standarta iekļaušana visās MOSFET datu lapās, pamatā esošās norādes MOSFET lietotājs reti saprot.

Turklāt mūsdienu attīstība MOSFET izkārtojumos, piemēram, tranšejas un aizsargātie vārti, prasa pārskatīt datu adresēšanu.

Piemēram, specifikācija ar nosaukumu “gate-charge” pati par sevi var šķist nedaudz maldinoša.

Līknes lineārās un dalītās sekcijas nešķiet kā spriegums, kas uzlādē kondensatoru, neatkarīgi no tā, cik lielu nelineāro vērtību tas var uzrādīt.

Precīzāk sakot, vārtu uzlādes līkne apzīmē divu nesalīdzināmu kondensatoru saistītos datus, kuriem ir atšķirīgi lielumi un kuriem ir dažādi sprieguma līmeņi.

Teorētiski funkcionālā kapacitāte, kas vērojama no MOSFET vārtu termināla, tiek definēta ar vienādojumu:

C_iss= C_gs+ C_gd

kur C_iss= vārtu kapacitāte, C_gs= vārtu avota kapacitāte, C_gd= vārtu notekas kapacitāte

Lai gan var šķist diezgan vienkārši izmērīt šo vienību un norādīt datu lapās, jāatzīmē, ka termins C_issfaktiski nav īsta kapacitāte.

Var būt pilnīgi nepareizi domāt, ka MOSFET tiek ieslēgts tikai caur spriegumu, kas uzklāts uz vārtu kapacitāti C_iss'.

Kā norādīts iepriekšējā attēlā, tieši pirms MOFET ieslēgšanās vārtu kapacitātei nav maksas, bet vārtu notekas C kapacitāte_gdpiemīt negatīvs lādiņš, kas jālikvidē.

Abām šīm kapacitātēm ir nelineārs raksturs, un to vērtības lielā mērā mainās, mainoties pielietotajiem spriegumiem.

Tādēļ ir svarīgi atzīmēt, ka MOSFET uzglabātās maksas nosaka tā komutācijas raksturlielumus, nevis konkrētā sprieguma līmeņa kapacitātes vērtība.

Tā kā divi kapacitātes elementi, kas veido C_issir dažādas fiziskās īpašības, tās mēdz uzlādēt ar atšķirīgiem sprieguma līmeņiem, un MOSFET ieslēgšanas procesam ir jāveic arī divi posmi.

Precīzā secība var būt atšķirīga rezistīviem un induktīviem lietojumiem, taču parasti praktiskās slodzes ir ļoti induktīvas, procesu var simulēt, kā parādīts nākamajā attēlā:

Vārtu lādēšanas laika secība

MOSFET vārtu uzlādes laika secību var izpētīt no šādas diagrammas:

To var saprast ar šādu paskaidrojumu:

1. T0 - T1: C_gslādējas no nulles līdz V_{GS (th)}... V_DSvai es_DSnepārdzīvo nekādas izmaiņas.
2. T1-T2, strāva sāk pieaugt MOSFET, reaģējot uz pieaugošo vārtu spriegumu no V_{GS (th)}līdz plato spriegumam V_gp.
3. Šeit IDS palielinās un sasniedz pilnas slodzes strāvu no 0 V, kaut arī V_DSpaliek neskarta un nemainīga. Saistīto lādiņu veido caur C integrāli_gsno 0 V līdz V_gpun Q_gsdota datu lapās.
4. T2 - T3: novērojiet plakano apgabalu starp T2 un T3, to sauc par Millera plato.
5. Pirms ieslēgšanas ieslēdziet C_gduzlādē un notur barošanas spriegumu V_IN, līdz es_DSsasniedz maksimālo vērtību I (slodze) pie T2.
6. Laiks starp periodu T2 un T3, negatīvais lādiņš (V_IN- V_gp) tiek pārveidots par pozitīvu lādiņu attiecībā uz plato spriegumu V_gp.
7. To var arī vizualizēt kā drenāžas sprieguma krišanos no V_INlīdz gandrīz nullei.
8. Attiecīgais lādiņš ir vienāds ar ap C_gdintegrāls no 0 līdz V_iekšā, kas tiek parādīts kā Q_gddatu lapās.
9. T3 - T4 laikā vārtu spriegums kāpj no V_gplīdz V_GS, un šeit mēs gandrīz nemainām izmaiņas V_DSun es_DS, bet faktiskais R_{DS (ieslēgts)}vārtu spriegumam paaugstinoties, nedaudz samazinās. Pie kāda sprieguma līmeņa virs V_gpnodrošina ražotājiem pietiekamu pārliecību, lai noteiktu efektīvā R augšējo robežu_{DS (ieslēgts)}.

Induktīvām slodzēm

Strāvas pieaugums MOSFET kanālā induktīvās slodzes dēļ jāpabeidz, pirms spriegums sāk krist.

Plakuma sākumā MOSFET ir izslēgtā stāvoklī, ja ir liela strāva un spriegums pāri kanālam līdz avotam.

Starp laiku T2 un T3 maksa Q_gdtiek piemērots MOSFET vārtiem, kur MOSFET raksturlielums pārveidojas no pastāvīgas strāvas uz nemainīgas pretestības režīmu beigās.

Kad notiek iepriekš minētā pāreja, vārtu spriegumā V nav jūtamu izmaiņu_gpnotiek.

Tas ir iemesls, kāpēc nekad nav saprātīgi saistīt MOSFET ieslēgšanas procesu ar noteiktu vārtu sprieguma līmeni.

Tas pats var attiekties uz izslēgšanas procesu, kas prasa no MOSFET vārtiem pretējā secībā novērst tos pašus divus lādiņus (kas tika apspriesti iepriekš).

MOSFET pārslēgšanās ātrums

Kamēr Q_gsplus Q_gdkopā nodrošina, ka MOSFET pilnībā ieslēdzas, tas mums nepasaka, cik ātri tas notiks.

To, cik ātri strāva vai spriegums pārslēgsies, nosaka ātrums, caur kuru vārtu lādēšanas elementi tiek pielietoti vai noņemti. To sauc arī par vārtu piedziņas strāvu.

Lai gan ātrs pieauguma un krituma ātrums nodrošina mazāku komutācijas zudumu MOSFET, tie var izraisīt arī sistēmas līmeņa sarežģījumus, kas saistīti ar paaugstinātu maksimālo spriegumu, svārstībām un elektromagnētiskiem traucējumiem, īpaši induktīvās slodzes izslēgšanas laikā.

Lineāri krītošajam spriegumam, kas attēlots iepriekš 7. attēlā, izdodas iegūt nemainīgu Cgd vērtību, kas praktiski nevar notikt ar MOSFET.

Precīzāk sakot, vārtu un kanalizācijas lādiņš C_gdaugstsprieguma superkrustojumam MOSFET, piemēram, SiHF35N60E, ir ievērojami augsta lineārā reakcija, kā redzams nākamajā attēlā:

C variācijas diapazons, kas pastāv C vērtībā_rss(apgrieztā pārsūtīšana) sākotnējā 100 V robežās ir lielāka par 200: 1. Tāpēc faktiskais sprieguma krituma laiks pret vārtu uzlādes līkni vairāk izskatās kā punktveida līnija, kas 7. attēlā parādīta sarkanā krāsā.

Pie augstāka sprieguma lādiņu pieauguma un krituma laiki kopā ar to ekvivalentajām dV / dt vērtībām ir vairāk atkarīgi no C vērtības_rss, nevis visa līknes integrālis, kas norādīts kā Q_gd.

Kad lietotāji vēlas salīdzināt MOSFET specifikācijas dažādās dizaina vidēs, viņiem jāsaprot, ka MOSFET ar pusi Q_gdvērtība ne vienmēr parādīs divas reizes lielāku pārslēgšanās ātrumu vai par 50% mazāku pārslēgšanās zudumu.

Tas ir tāpēc, ka saskaņā ar C_gdlīkni un tā lielumu pie augstāka sprieguma, var būt pilnīgi iespējams, ka MOSFET datu lapā ir zems Qgd, taču nepalielinot pārslēgšanās ātrumu.

Apkopojot

Faktiskajā ieviešanā MOSFET ieslēgšana notiek, izmantojot virkni procesu, nevis ar iepriekš noteiktu parametru.

Shēmu dizaineriem jāpārtrauc iedomāties, ka V_{GS (th)}vai sprieguma līmeņus var izmantot kā vārtu spriegumu, lai pārslēgtu MOSFET izeju no augstas uz zemu R_{DS (ieslēgts)}.

Var būt veltīgi domāt par R iegūšanu_{DS (ieslēgts)}zem vai virs noteikta vārtu sprieguma līmeņa, jo vārtu sprieguma līmenis pats par sevi nenosaka MOSFET ieslēgšanu. Drīzāk tās ir maksas Q_gsun Q_gdieviesti MOSFET, kas veic darbu.

Iespējams, ka vārtu spriegums pieaug virs V_{GS (th)}un V_gpuzlādes / izlādes procesā, bet tie nav tik svarīgi.

Tāpat tas, cik ātri šodienas MOSFET var ieslēgties vai izslēgt, var būt sarežģīta Q funkcija_gsvai Q_gd.

Lai novērtētu MOSFET komutācijas ātrumus, īpaši uzlabotos MOSFET, dizainerim ir jāveic visaptverošs pētījums par vārtu uzlādes līkni un ierīces kapacitātes raksturojumu.

Atsauce: https://www.vishay.com/