Förstå MOSFET-startprocessen

En korrekt beräknad MOSFET-startprocess säkerställer att enheten slås på med optimal effektivitet.

När du designade MOSFET-baserade kretsar kanske du har undrat vad som är rätt sätt att sätta på en MOSFET? Eller vad är den minsta spänningen som ska appliceras över enhetens källa / källa för att sätta på den perfekt?

Även om detta för många digitala system kanske inte är ett problem, kräver 5V-system som DSP, FPGA och Arduinos öka deras resultat för optimalt omkopplingsförhållande för den anslutna MOSFET.

Och i dessa situationer börjar designern titta på specifikationerna för MOSFET för att få tröskelspänningsdata. Designern antar att MOSFET skulle slå PÅ och ändra tillstånd när denna tröskelnivå passeras.

Men detta kan inte vara så enkelt som det kan tyckas vara.

Vad är tröskelspänning V._{GS (th)}

Först och främst måste vi inse att tröskelspänningen, betecknad V_{GS (th)}är inte för kretsdesigners att oroa sig för.

För att vara exakt är det grindspänningen som får MOSFETs avloppsström att korsa en tröskelnivå på 250 μA, och detta testas under förhållanden som normalt inte kan uppstå i praktiska tillämpningar.

Under viss analys används en konstant 5V för ovan nämnda tester av enheten. Men detta test implementeras normalt med grinden och avloppet på enheten ansluten eller kortsluten med varandra. Du kan enkelt få den här informationen i själva databladet, så det finns inget mystiskt med detta test.

Tabellen ovan visar tröskelnivåerna och de relevanta testförhållandena för ett exempel på MOSFET.

För en önskad applikation kan konstruktören vara orolig för en fruktad situation som kallas 'inducerad' grindspänning, vilket kan vara en allvarlig fråga till exempel i en låg MOSFET-sida av synkron buck-omvandlare .

Som diskuterats tidigare måste vi också här förstå att passera tröskeln V_{GS (th)}nivå kanske inte tvingar enheten att hamna i ett genombrottstillstånd. Denna nivå berättar faktiskt designern om tröskeln vid vilken MOSFET bara börjar sätta PÅ och är inte en situation där saker bara slutar helt.

Det kan vara tillrådligt att medan MOSFET är i avstängt tillstånd bibehålls grindspänningen under V_{GS (th)}nivå för att förhindra strömläckage. Men när du slår på den kan denna parameter helt enkelt ignoreras.

Överför karakteristisk kurva

Du hittar ett annat kurvdiagram med namnet överföringsegenskaper i MOSFET-datablad som förklarar sitt sätt att sätta PÅ som svar på ökande grindspänning.

För att vara exakt kan detta vara mer relaterat till aktuell variationanalys med avseende på grindspänning och enhetens falltemperatur. I denna analys har V_DShålls på en fast nivå men hög nivå, cirka 15V, vilket kanske inte avslöjas i databladets specifikationer.

Om vi ​​hänvisar till kurvan som visas ovan inser vi att för 20 Amp avloppsström kanske 3,2 V gate-to-source-spänning inte är tillräcklig.

Kombinationen skulle resultera i en VDS på 10 V, vanligtvis med en avledning på 200 watt.

Överföringskurvdata kan vara användbara för MOSFET: er som drivs inom det linjära området, men kurvdata kan ha mindre betydelse för MOSFET i omkopplingsapplikationer.

Produktegenskaper

Kurvan som avslöjar de faktiska uppgifterna om en MOSFETs fullständigt PÅ-tillstånd är känd som utgångskurvan enligt nedan:

Här för de olika nivåerna av V_GSframåtfallet på MOSFET mäts som en funktion av strömmen. Enhetsingenjörer använder denna kurvdata för att bekräfta den optimala grindspänningsnivån.

För varje nivå av grindspänning som säkerställer en fullständig omkoppling av MOSFET [R_{DS (på)}], vi får ett antal spänningsfall (V._GS) över avlopp till källa med strikt linjärt svar med avloppsström. Området börjar från noll och uppåt.

För lägre grindspänningar (V_GS), när avloppsströmmen ökas, finner vi att kurvan förlorar det linjära svaret, rör sig genom 'knäet' och sedan går platt.

Ovanstående kurvdetaljer ger oss de fullständiga utgångskarakteristikerna för ett grindspänningsområde från 2,5 V till 3,6 V.

MOSFET-användare kan normalt betrakta detta som den linjära funktionen. Däremot kan ingenjörsingenjörer föredra att ägna mer uppmärksamhet åt det grå området i diagrammet, vilket antyder det nuvarande mättnadsområdet för den applicerade grindspänningen.

Den avslöjar aktuella data som har berört mättnadspunkten eller mättnadsgränsen. Vid denna punkt, om V_DSökas kommer att leda till en marginell ökning av strömmen, men en liten ökning av dräneringsströmmen kan leda till en mycket större V_DS.

För ökade grindspänningsnivåer, som gör att MOSFET kan slå PÅ helt, kommer det gröna skuggade området att visa oss arbetspunkten för processen, indikerad som resistiv (eller ohmisk) region.

Observera att kurvorna här endast visar de typiska värdena och inte innehåller några minimi- eller maximigränser.

Medan den arbetar vid lägre omgivningstemperaturer kommer enheten att kräva högre grindspänning för att stanna i det resistiva området, vilket kan gå uppåt med en hastighet av 0,3% / ° C.

Vad är MOSFET RDS (on)

När enhetsingenjörer måste stöta på MOSFETs utgångskarakteristika, vill de i huvudsak lära sig mer om R_{DS (på)}med hänvisning till de specifika driftsförhållandena.

Generellt kan detta vara en blandning av V_GSoch jag_DSöver området där kurvan har avvikit från den raka linjen till den del som indikeras av den grå nyansen.

Med tanke på exemplet som diskuterats ovan, en grindspänning på 3,1 V med en initial ström på 10 ampere, kommer ingenjörerna att veta att R_{DS (på)}tenderar att vara större än det uppskattade värdet. Med detta sagt, förväntar vi oss att MOSFET-tillverkaren tillhandahåller ungefärliga uppgifter om detta?

Med båda kvantiteterna V_DSoch jag_DSlätt kan erhållas i kurvan kan det bli för lockande, och ofta överlämnas till, för att dela de två kvantiteterna vid den resulterande R_{DS (på)}.

Tyvärr har vi ingen R_{DS (på)}för bedömningen här. Det verkar vara otillgängligt för de nämnda situationerna eftersom för någon del av Lastlinje representerar ett motstånd måste korsa genom ursprunget på ett linjärt sätt.

Med detta sagt kan det vara möjligt att simulera lastlinjen i en aggregerad form som ett icke-linjärt motstånd.

Detta garanterar åtminstone att all förståelse för praktiskt arbete bibehålls vid ursprunget (0, 0).

Gate Charge Curve-egenskaper

Det är gate-laddningskurvdata som faktiskt ger oss en riktig ledtråd angående MOSFET-specifikationerna för påslagning som visas i figuren nedan :

Även om ovanstående kurva är en standardinkludering i alla MOSFET-datablad, förstår de underliggande indikationerna sällan av MOSFET-användaren.

Dessutom kräver den moderna utvecklingen i MOSFET-layouterna, såsom dike och skärmade grindar, en reviderad adressering av data.

Till exempel kan specifikationen med namnet 'gate-charge' verka något missvisande av sig själv.

De linjära och uppdelade sektionerna i kurvan ser inte ut som spänningsladdning av en kondensator, oavsett hur mycket icke-linjärt värde den kan uppvisa.

För att vara exakt betyder grindladdningskurvan en associerad data för två icke-parallella kondensatorer, som har olika storheter och bär olika spänningsnivåer.

I teorin definieras den funktionella kapacitansen som bevittnas från MOSFET-grindterminalen med ekvationen:

C_iss= C_gs+ C_gd

där C_iss= grindkapacitans, C_gs= grindkällans kapacitans, C_gd= grindavloppskapacitans

Även om det kan verka ganska enkelt att mäta denna enhet och specificera i datablad, måste det noteras att termen C_issär faktiskt inte en riktig kapacitans.

Det kan vara helt fel att tro att en MOSFET slås PÅ bara genom en spänning som appliceras på portens kapacitans C_iss'.

Som indikerat i ovanstående figur, strax innan en MOFET slås PÅ, har grindkapacitansen ingen laddning, men kapacitansen vid grindavloppet C_gdhar en negativ laddning som måste elimineras.

Båda dessa kapacitanser har en icke-linjär karaktär och deras värden varierar till stor del eftersom de applicerade spänningarna varierar.

Därför är det viktigt att notera att det är de lagrade laddningarna i MOSFET som bestämmer dess omkopplingsegenskaper, och inte kapacitansvärdet för en specifik spänningsnivå.

Eftersom de två kapacitanselementen som utgör C_isshar olika fysiska attribut, tenderar de att bli laddade med olika spänningsnivåer, vilket kräver att MOSFET: s PÅ-process också går igenom två steg.

Den exakta sekvensen kan vara annorlunda för resistiva och induktiva applikationer, men vanligtvis är de flesta praktiska belastningar mycket induktiva, processen kan simuleras som avbildad i följande figur:

Gate Charge Timing Sequence

Portladdningstidsekvenser för MOSFET kan studeras från diagrammet nedan:

Det kan förstås med följande förklaring:

1. T0 - T1: C_gsladdningar från noll till V._{GS (th)}... V_DSeller jag_DSgår inte igenom några förändringar.
2. T1-T2, börjar strömmen stiga i MOSFET som svar på den ökande grindspänningen från V._{GS (th)}upp till platåspänningen V_gp.
3. Här ökar IDS och når full belastningsström från 0 V, även om V_DSförblir opåverkad och konstant. Den tillhörande laddningen bildas genom integralen av C_gsfrån 0 V till V._gpoch Q_gsanges i datablad.
4. T2 - T3: Observera det plana området mellan T2 och T3, det heter Miller-platån.
5. Innan strömmen PÅ, C_gdladdar och håller upp till matningsspänningen V._I, tills jag_DSnår toppvärdet I (belastning) vid T2.
6. Tiden mellan perioden T2 och T3, den negativa laddningen (V._I- V_gp) omvandlas till positiv laddning med avseende på platsspänningen V._gp.
7. Detta kan också visualiseras som att avloppsspänningen faller från V._Itill nästan noll.
8. Avgiften är lika med C_gdintegrerad från 0 till V._i, som visas som Q_gdi datablad.
9. Under T3 - T4 stiger grindspänningen från V._gptill V_GS, och här finner vi knappast någon förändring för V_DSoch jag_DS, men den effektiva R_{DS (på)}sjunker något när grindspänningen stiger. Vid någon spänningsnivå över V._gp, ger tillverkarna tillräckligt förtroende för att fastställa den övre gränsen för effektiv R_{DS (på)}.

För induktiva laster

Ökningen av ström i MOSFET-kanalen på grund av en induktiv belastning måste slutföras innan spänningen börjar sjunka.

I början av platån är MOSFET i OFF-läge i närvaro av hög ström och spänning över avloppet till källan.

Mellan tiden T2 och T3 laddas Q_gdappliceras på grinden till MOSFET, varvid MOSFET-karakteristiken omvandlas från konstant ström till konstant motståndsläge i slutet.

När ovanstående övergång sker sker ingen märkbar förändring i grindspänningen V._gpsker.

Detta är anledningen till att det aldrig är en klok idé att relatera en MOSFET-PÅ-process med någon speciell nivå av grindspänning.

Detsamma kan vara sant för avstängningsprocessen, som kräver att samma två laddningar (diskuterats tidigare) elimineras från porten till MOSFET i motsatt ordning.

MOSFET-omkopplingshastighet

Medan Q_gsplus Q_gdtillsammans säkerställer att MOSFET slås PÅ helt, det berättar inte för oss hur snabbt detta kommer att hända.

Hur snabbt strömmen eller spänningen växlar bestäms av hastigheten genom vilken laddningselementen vid grinden appliceras eller tas bort. Detta benämns också som portdrivströmmen.

Även om en snabb stignings- och fallhastighet säkerställer lägre omkopplingsförluster i MOSFET, kan dessa också ge upphov till komplikationer på systemnivå relaterade till ökade toppspänningar, svängningar och elektromagnetisk störning, speciellt under avstängningspunkterna för den induktiva belastningen.

Den linjärt fallande spänningen som visas i ovanstående figur 7 lyckas ta ett konstant värde på Cgd, vilket knappast kan hända MOSFET i praktiska tillämpningar.

För att vara exakt, laddar grindavloppet C_gdför en högspännings superkorsning uppvisar MOSFET såsom SiHF35N60E ett signifikant högt linjärt svar, vilket kan ses i följande figur:

Variationsintervallet som finns i värdet C_rss(omvänd överföring) är mer än 200: 1 inom de initiala 100 V. På grund av detta verkar spänningens faktiska falltid mot grindladdningskurvan mer som den streckade linjen som visas i röd färg i figur 7.

Vid högre spänningar är laddningens stignings- och falltider, tillsammans med deras ekvivalenta dV / dt-värden mer beroende av värdet på C_rss, istället för integralen av hela kurvan indikerad som Q_gd.

När användare vill jämföra MOSFET-specifikationer inom olika designmiljöer, bör de inse att MOSFET med hälften av Q_gdvärdet kommer inte nödvändigtvis att ha två gånger snabbare omkopplingshastighet eller 50% mindre kopplingsförluster.

Detta beror på, enligt C_gdkurva och dess storlek vid högre spänningar, kan det vara mycket möjligt för en MOSFET att ha en låg Qgd i databladet, men utan någon ökning av omkopplingshastigheten.

Sammanfattande

I verklig implementering sker påslaget av en MOSFET genom en serie processer, och inte med en förutbestämd parameter.

Kretsdesigners måste sluta föreställa sig att V_{GS (th)}, eller spänningsnivåer kan användas som grindspänning för att växla MOSFET-utgången från hög till låg R_{DS (på)}.

Det kan vara meningslöst att tänka på att ha en R_{DS (på)}under eller över en viss grindspänningsnivå, eftersom grindspänningsnivån inte i sig bestämmer att en MOSFET slås PÅ. Snarare är det avgifterna Q_gsoch Q_gdinfördes i MOSFET som utför jobbet.

Du kan hitta grindspänningen stiga över V._{GS (th)}och V_gpunder laddnings- / urladdningsprocessen men dessa är inte så viktiga.

På samma sätt kan hur snabbt dagens MOSFET kan slå PÅ eller AV vara en komplex funktion av Q_gseller Q_gd.

För att utvärdera MOSFET-omkopplingshastigheter, särskilt de avancerade MOSFET: erna, måste designern gå igenom en omfattande studie angående portladdningskurvan och enhetens kapacitansegenskap.

Referens: https://www.vishay.com/