Разумевање процеса укључивања МОСФЕТ-а

Исправно израчунати поступак укључивања МОСФЕТ-а осигурава да се уређај УКЉУЧИ са оптималном ефикасношћу.

Док сте дизајнирали МОСФЕТ склопове, можда сте се запитали који је исправан начин УКЉУЧИВАЊА МОСФЕТ-а? Или једноставно који је минимални напон који треба применити на капији / извору уређаја да би се савршено укључио?

Иако за многе дигиталне системе ово можда неће представљати проблем, 5В системи као што су ДСП, ФПГА и Ардуинос захтевају повећање њихових резултата за оптималне преклопне услове за повезани МОСФЕТ.

И у тим ситуацијама дизајнер започиње сагледавање спецификација МОСФЕТ-а како би добио податке о граничном напону. Дизајнер претпоставља да би се МОСФЕТ укључио и променио стање када се пређе овај ниво прага.

Међутим, ово можда није тако једноставно као што се чини.

Шта је праг напона В._{ГС (тх)}

Пре свега морамо схватити да је праг напона, означен као В_{ГС (тх)}није за дизајнере кола да брину.

Прецизније, напон на вратима доводи до тога да одводна струја МОСФЕТ-а пређе гранични ниво од 250 μА, а ово се испитује у условима који можда никада неће проћи у практичној примени.

Током одређене анализе користи се константна 5В за горе поменуто тестирање уређаја. Али овај тест се обично примењује када су отвор и одвод уређаја повезани или међусобно спојени. Те податке можете лако добити у самом техничком листу, тако да у овом тесту нема ништа мистериозно.

Горња табела показује нивое прага и релевантне услове испитивања за пример МОСФЕТ-а.

За жељену апликацију дизајнер би могао бити забринут због застрашујуће ситуације познате као 'индуковани' напон на капији, што може бити озбиљан проблем, на пример у МОСФЕТ-у са ниским бочним синхрони бацк претварач .

Као што је раније речено, и овде морамо схватити да прелазак прага В_{ГС (тх)}ниво можда неће присилити уређај да уђе у услов пробоја. Овај ниво заправо говори дизајнеру у вези с прагом на којем МОСФЕТ тек почиње да се УКЉУЧУЈЕ и није ситуација у којој се ствари сасвим завршавају.

Може бити препоручљиво да се док је МОСФЕТ у искљученом стању напон на капији одржава испод В_{ГС (тх)}ниво, како би се спречило цурење струје. Али док се УКЉУЧУЈЕ, овај параметар се може једноставно занемарити.

Кривуља преноса карактеристика

Пронаћи ћете још један дијаграм криве са именом карактеристике преноса у МОСФЕТ листовима података који објашњавају његово понашање УКЉУЧИВАЊА као одговор на повећање напона капије.

Прецизније, ово може бити више повезано са анализом варијација струје у односу на напон капије и температуру кућишта уређаја. У овој анализи В._ДСсе одржава на фиксном нивоу, али на високом нивоу, око 15 В, што можда неће бити откривено у спецификацијама листа са подацима.

Ако се упутимо на криву као што је горе приказано, схватамо да за одводну струју од 20 А, напон од 3,2 В од извора до извора можда неће бити довољан.

Комбинација би резултирала ВДС од 10 В, обично са расипањем од 200 вати.

Подаци о кривуљи преноса могу бити корисни за МОСФЕТ-ове који раде у линеарном опсегу, међутим подаци о кривуљи могу имати мање значаја за МОСФЕТ-ове у комутацијским апликацијама.

Излазне карактеристике

Крива која открива стварне податке у погледу потпуно укљученог стања МОСФЕТ-а позната је као излазна крива, као што је приказано доле:

Овде, за различите нивое В._ГСпад МОСФЕТ-а напред се мери у зависности од струје. Инжењери уређаја користе ове податке криве да би потврдили оптималан ниво напона на капији.

За сваки ниво напона на вратима који осигурава потпуно УКЉУЧЕЊЕ МОСФЕТ-а [Р_{ДС (укључено)}], добијамо опсег падова напона (В_ГС) преко одвода до извора који има стриктно линеарни одзив са одводном струјом. Распон почиње од нуле па навише.

За ниже напоне капија (В_ГС), када је одводна струја повећана, налазимо да крива губи линеарни одзив, крећући се кроз „колено“, а затим иде равно.

Горе наведени детаљи криве пружају нам комплетне карактеристике излаза за опсег напона капија од 2,5 В до 3,6 В.

Корисници МОСФЕТ-а могу ово нормално сматрати линеарном функцијом. Међутим, за разлику од инжењера уређаја, можда ће радије обратити више пажње на сиву област графикона која сугерише тренутно подручје засићења за примењени напон на капији.

Открива тренутне податке који су додирнули тачку засићења или границу засићења. У овом тренутку, ако је В._ДСако се повећа, резултираће маргиналним порастом струје, али мали пораст одводне струје може довести до много већег В_ДС.

За повећане нивое напона на капији, који омогућавају да се МОСФЕТ у потпуности УКЉУЧИ, зелено осенчено подручје ће нам показати радну тачку за процес, назначено као отпорно (или омско) подручје.

Имајте на уму да овде криве показују само типичне вредности и не укључују никакве минималне или максималне границе.

Док ради на нижим температурама околине, уређају ће бити потребан већи напон на капији да би остао у отпорном подручју, што може да порасте навише по стопи од 0,3% / ° Ц.

Шта је МОСФЕТ РДС (укључен)

Када инжењери уређаја морају да се сусретну са излазним карактеристикама МОСФЕТ-а, они ће у суштини желети да науче о Р._{ДС (укључено)}уређаја у односу на специфичне услове рада.

Генерално, ово може бити комбинација В._ГСи ја_ДСпреко подручја где је кривина одступила од праве линије у део означен сивом нијансом.

Узимајући у обзир претходно разматрани пример, напон на капији од 3,1 В са почетном струјом од 10 ампера, инжењери ће знати да Р_{ДС (укључено)}имаће тенденцију да буде већа од процењене вредности. Када ово кажемо, да ли очекујемо да ће произвођач МОСФЕТ-а пружити приближне податке у вези с тим?

Са обе величине В._ДСи ја_ДСлако доступна у кривој може постати превише примамљива и често јој се предаје да би поделила две величине на резултанту Р_{ДС (укључено)}.

Међутим, нажалост, немамо Р._{ДС (укључено)}за процену овде. Чини се да није доступан за поменуте ситуације јер ни за један одељак теретни вод представљајући отпор мора линеарно прећи кроз исходиште.

Међутим, можда је могуће симулирати вод терета у агрегатном облику попут нелинеарног отпора.

Ово ће гарантовати најмање да се свако разумевање практичног рада одржи у исходишту (0, 0).

Карактеристике криве пуњења на улазу

Подаци о кривуљи напуњености капије заправо нам дају прави наговештај у вези са УКЉУЧЕЊЕМ спецификација МОСФЕТ-а, као што је приказано на доњој слици :

Иако је горња крива стандардно укључивање у све МОСФЕТ листове са подацима, МОСФЕТ корисник ретко схвата основне индикације.

Штавише, савремени напредак у МОСФЕТ распоредима, попут рова и заштићених капија, захтева ревидирано адресирање података.

На пример, спецификација под називом „гате-цхарге“ може изгледати помало обмањујуће сама по себи.

Линеарни и подељени делови криве не изгледају попут напона који пуни кондензатор, без обзира на то колику нелинеарну вредност може показивати.

Да будемо прецизни, крива напуњености гејта означава повезане податке два непаралелна кондензатора, који имају различите величине и носе различите нивое напона.

У теорији, функционални капацитет као што се види са терминала МОСФЕТ гејта дефинисан је једначином:

Ц._бр= Ц._гс+ Ц_гд

где је Ц._бр= капацитет капије, Ц._гс= капацитет изворне капије, Ц._гд= капацитет одвода врата

Иако може изгледати прилично једноставно измерити ову јединицу и навести у листовима са подацима, мора се приметити да термин Ц_брзаправо није стварни капацитет.

Можда је потпуно погрешно мислити да је МОСФЕТ УКЉУЧЕН само напоном који се примењује на „капацитету капије Ц_бр'.

Као што је назначено на горњој слици, непосредно пре укључивања МОФЕТ-а, капацитет капије нема наелектрисање, али капацитет на одводу Ц_гдпоседује негативни набој који треба елиминисати.

Оба ова капацитета имају нелинеарну природу и њихове вредности углавном варирају како варирају напони.

Стога је важно напоменути да меморисани набоји МОСФЕТ-а одређују његове преклопне карактеристике, а не вредност капацитивности за одређени ниво напона.

Пошто су два елемента капацитивности који чине Ц._бримају различите физичке атрибуте, обично се пуне различитим нивоима напона, што захтева да процес укључивања МОСФЕТ-а такође прође кроз две фазе.

Прецизан редослед може бити различит за отпорне и индуктивне примене, али обично је већина практичних оптерећења високо индуктивна, поступак се може симулирати као што је приказано на следећој слици:

Секвенца временског ограничења наплате

Секвенце временског ограничења пуњења капија МОСФЕТ-а могу се проучити на доњем дијаграму:

То се може разумети са следећим објашњењем:

1. Т0 - Т1: Ц._гснаелектрисања од нуле до В._{ГС (тх)}... В._ДСили ја_ДСне пролази кроз било какве промене.
2. Т1-Т2, струја почиње да расте у МОСФЕТ-у као одговор на све већи напон на капији од В_{ГС (тх)}до напона платоа В._гп.
3. Овде се ИДС повећава и достиже струју пуног оптерећења од 0 В, мада В._ДСостаје непромењен и константан. Повезани набој се формира кроз интеграл Ц_гсод 0 В до В_гп, и К_гсдати у таблицама.
4. Т2 - Т3: Посматрајте равну област између Т2 и Т3, зове се висораван Миллер.
5. Пре прекидача ОН, Ц._гдпуни и држи до напона напајања В._ИН, док ја_ДСдостиже вршну вредност И (оптерећење) на Т2.
6. Време између периода Т2 и Т3, негативни набој (В_ИН- В._гп) претвара се у позитиван набој у односу на напон платоа В_гп.
7. Ово се такође може визуализовати као пад одводног напона са В_ИНдо скоро нуле.
8. Укључени набој једнак је око Ц._гдинтеграл од 0 до В._у, што је приказано као К_гду листовима података.
9. Током Т3 - Т4, напон на капији се пење са В_гпдо В._ГС, и овде тешко налазимо било какву промену за В._ДСи ја_ДС, али ефективни Р._{ДС (укључено)}лагано пада како расте напон на капији. На неком напонском нивоу изнад В._гп, пружа произвођачима довољно самопоуздања да фиксирају горњу границу ефективног Р._{ДС (укључено)}.

За индуктивна оптерећења

Пораст струје у МОСФЕТ каналу услед индуктивног оптерећења треба завршити пре него што напон почне да опада.

На почетку платоа, МОСФЕТ је у стању ИСКЉУЧЕНО, у присуству велике струје и напона преко одвода до извора.

Између времена Т2 и Т3, пуњење К_гдпримењује се на капију МОСФЕТ-а, при чему се МОСФЕТ карактеристика на крају трансформише из константне струје у режим константног отпора.

Када се догоди горњи прелаз, нема приметне промене напона на капији В_гподржава се.

То је разлог што никад није паметно повезати поступак укључивања МОСФЕТ-а са било којим одређеним нивоом напона на капији.

Исто може важити и за поступак ИСКЉУЧИВАЊА, који захтева да се иста два пуњења (о којима је раније било речи) елиминишу са капије МОСФЕТ-а у супротном редоследу.

МОСФЕТ брзина пребацивања

Док је П_гсплус К_гдзаједно осигурава да ће се МОСФЕТ потпуно укључити, не говори нам о томе колико брзо ће се то догодити.

Колико ће се брзо променити струја или напон, одлучује брзина којом се наелектрисани елементи на капији примењују или уклањају. Ово се такође назива струјом погонског капија.

Иако брза брзина пораста и опадања осигурава ниже прекидачке губитке у МОСФЕТ-овима, они такође могу довести до компликација на нивоу система повезаних са повећаним вршним напонима, осцилацијама и електромагнетним сметњама, посебно током искључења индуктивног оптерећења.

Линеарно падајући напон приказан на горњој слици 7 успева да заузме константну вредност Цгд, што се МОСФЕТ-овима у практичној примени тешко може догодити.

Тачније, пуњење одвода за одвод Ц._гдза високонапонски супер-спој МОСФЕТ као што је СиХФ35Н60Е показује значајно висок линеарни одзив, као што се може видети на следећој слици:

Опсег варијација који постоји у вредности Ц._рсс(обрнути пренос) је више од 200: 1 унутар почетних 100 В. Због тога стварно време пада напона на кривуљи пуњења капије изгледа више попут испрекидане линије приказане црвеном бојом на слици 7.

При вишим напонима, пораст и пад наелектрисања, заједно са њиховим еквивалентним вредностима дВ / дт, више зависе од вредности Ц_рсс, уместо интеграла целе криве означене као К_гд.

Када корисници желе да упореде МОСФЕТ спецификације у различитим дизајнерским окружењима, требали би схватити да МОСФЕТ са половином К_гдвредност неће нужно имати двоструко бржу стопу пребацивања или 50% мање губитке при пребацивању.

То је зато што, према Ц._гдкриве и њене величине при вишим напонима, можда је сасвим могуће да МОСФЕТ има низак Кгд у техничком листу, али без икаквог повећања брзине пребацивања.

Резимирајући

У стварној имплементацији, УКЉУЧИВАЊЕ МОСФЕТ-а догађа се кроз низ процеса, а не са унапред одређеним параметром.

Дизајнери кола морају престати да замишљају да је В._{ГС (тх)}, или се нивои напона могу користити као мрежни напон за пребацивање МОСФЕТ излаза са високог на нижи Р_{ДС (укључено)}.

Можда је узалудно размишљати о томе да имам Р._{ДС (укључено)}испод или изнад одређеног нивоа напона на капији, будући да ниво напона на капијама суштински не одлучује о УКЉУЧИВАЊУ МОСФЕТ-а. Уместо да су оптужбе К_гси К_гдуведен у МОСФЕТ који извршава посао.

Можда ћете приметити да напон на капији расте изнад В._{ГС (тх)}и В._гптоком процеса пуњења / пражњења, али они нису толико важни.

Слично томе, колико брзо се данашњи МОСФЕТ може УКЉУЧИТИ или ИСКЉУЧИТИ може бити сложена функција К_гсили П_гд.

За процену брзина пребацивања МОСФЕТ-а, посебно напредних МОСФЕТ-ова, дизајнер мора проћи свеобухватну студију у вези са кривом наелектрисања врата и карактеристиком капацитивности уређаја.

Референца: хттпс://ввв.висхаи.цом/