MOSFET-i sisselülitamise protsessi mõistmine

Õigesti arvutatud MOSFET-i sisselülitamise protsess tagab seadme optimaalse efektiivsusega sisselülitamise.

MOSFET-põhiste vooluringide kujundamise ajal võite mõelda, mis on õige viis MOSFET-i sisselülitamiseks? Või lihtsalt milline on minimaalne pinge, mida tuleks seadme täiuslikuks sisselülitamiseks rakendada üle värava / seadme allika?

Ehkki paljude digitaalsüsteemide puhul ei pruugi see probleem olla, nõuavad 5V süsteemid nagu DSP-d, FPGA-d ja Arduinos nende väljundite suurendamine ühendatud MOSFET-i optimaalseks lülitustingimuseks.

Nendes olukordades hakkab disainer uurima MOSFETi spetsifikatsioone, et saada lävipinge andmeid. Disainer eeldab, et MOSFET lülitub sisse ja muudab olekut, kui see künnistase ületatakse.

Kuid see ei pruugi olla nii lihtne kui võib tunduda.

Mis on künnispinge V_{GS (th)}

Kõigepealt peame mõistma, et lävipinge, mida tähistatakse V-ga_{GS (th)}pole vooluringide disainerite jaoks murettekitav.

Täpsemalt öeldes põhjustab värava pinge MOSFETi äravooluvoolu 250 μA läviväärtuse ületamise ja seda katsetatakse tingimustes, mis praktilistes rakendustes ei pruugi kunagi ilmneda.

Teatud analüüsi käigus kasutatakse seadme ülalnimetatud testimiseks konstantset 5 V. Kuid see test viiakse tavaliselt läbi värava ja seadme äravooluühendusega või lühisega. Selle teabe saate hõlpsalt andmelehest endast, nii et selles testis pole midagi salapärast.

Ülal olevas tabelis on näidatud MOSFET-i näite lävitasemed ja asjakohased katsetingimused.

Soovitud rakenduse jaoks võib disainer olla mures kardetud olukorra pärast, mida nimetatakse „indutseeritud“ värava pingeks, mis võib olla tõsine probleem näiteks madala küljega MOSFETis sünkroonne buck muundur .

Nagu varem arutletud, peame ka siin mõistma, et V künnise ületamine_{GS (th)}tase ei pruugi seadet sundida läbilöögirikkedesse tingimustesse sattuma. See tase räägib disainerile tegelikult künnisest, mille juures MOSFET hakkab lihtsalt sisse lülituma ega ole olukord, kus asjad lihtsalt lõpevad.

Võib olla soovitatav, et ajal, kui MOSFET on väljalülitatud olekus, hoitakse värava pinget allpool V-d_{GS (th)}praeguse lekke vältimiseks. Kuid selle sisselülitamisel võidakse seda parameetrit lihtsalt ignoreerida.

Ülekande iseloomulik kõver

Leiate veel ühe kõverdiagrammi nimega ülekande omadused MOSFETi andmelehtedes selgitades selle sisselülitamise käitumist vastusena värava pinge suurenemisele.

Täpsusena võib see olla rohkem seotud voolu variatsiooni analüüsiga värava pinge ja seadme korpuse temperatuuri suhtes. Selles analüüsis on V_DSon fikseeritud, kuid kõrgel tasemel, umbes 15 V, mida ei pruugi andmelehe spetsifikatsioonides avaldada.

Kui viidata eespool näidatud kõverale, mõistame, et 20 Amprise äravooluvoolu korral ei pruugi 3,2 V värava ja allika vaheline pinge olla piisav.

Selle kombinatsiooni tulemuseks on 10 V VDS, mille hajumine on tavaliselt 200 vatti.

Ülekandekõvera andmed võivad olla kasulikud lineaarses vahemikus töötavate MOSFET-ide jaoks, kuid kõveraandmetel võib MOSFET-ide jaoks olla vähem tähtsust rakenduste vahetamisel.

Väljundi omadused

Kõverat, mis näitab tegelikke andmeid MOSFET-i täielikult sisse lülitatud seisundi kohta, nimetatakse väljundkõveraks, nagu allpool näidatud:

Siin V eri tasemete jaoks_GSMOSFETi langust edasi mõõdetakse voolu funktsioonina. Seadmeinsenerid kasutavad kõvera andmeid värava pinge optimaalse taseme kinnitamiseks.

Iga väravapinge taseme jaoks, mis tagab MOSFET-i täieliku sisselülitamise [R_{DS (sees)}], saame pingelanguste vahemiku (V_GS) kogu äravoolust allikani, millel on rangelt lineaarne reaktsioon äravooluvooluga. Vahemik algab nullist ülespoole.

Värava madalamate pingete (V_GS), kui äravooluvoolu suurendatakse, leiame, et kõver kaotab lineaarse reaktsiooni, liigub läbi 'põlve' ja läheb seejärel tasaseks.

Ülaltoodud kõvera üksikasjad pakuvad meile täielikke väljundomadusi väravapinge vahemikus 2,5 V kuni 3,6 V.

MOSFET-i kasutajad võivad seda tavaliselt pidada lineaarseks funktsiooniks. Kuid seevastu võivad seadmete insenerid eelistada pöörata suuremat tähelepanu graafiku hallile alale, mis viitab rakendatud värava pinge praegusele küllastuspiirkonnale.

See näitab praeguseid andmeid, mis on puudutanud küllastuspunkti või küllastuspiiri. Siinkohal, kui V_DSsuurendamine toob kaasa voolu marginaalse suurenemise, kuid tühjendusvoolu väike tõus võib põhjustada palju suurema V_DS.

Suurendatud väravapinge tasemete korral, mis võimaldavad MOSFET-il täielikult sisse lülitada, näitab roheline varjutatud ala meile protsessi tööpunkti, mis on näidatud takistusliku (või oomilise) piirkonnana.

Pange tähele, et siin olevad kõverad näitavad ainult tüüpilisi väärtusi ja ei sisalda mingeid minimaalseid ega maksimaalseid piire.

Töötades madalamal ümbritseval temperatuuril, nõuab seade takistuspiirkonnas püsimiseks kõrgemat väravapinget, mis võib tõusta ülespoole kiirusega 0,3% / ° C.

Mis on MOSFET RDS (sees)

Kui seadmete insenerid peavad kokku puutuma MOSFET-i väljundomadustega, tahavad nad sisuliselt õppida R-i_{DS (sees)}seadme töötamistingimusi arvestades.

Üldiselt võib see olla V segu_GSja mina_DSkogu piirkonnas, kus kõver on sirgjoonelt kõrvale kaldunud halli tooniga tähistatud ossa.

Arvestades ülalpool arutatud näidet, on värava pinge 3,1 V algvooluga 10 Ampr, teavad insenerid, et R_{DS (sees)}kipub olema suurem kui hinnanguline väärtus. Seda öeldes eeldame, et MOSFETi tootja esitab selle kohta ligikaudsed andmed?

Mõlemate suurustega V_DSja mina_DSkõveras hõlpsasti kättesaadav, võib see saada liialt ahvatlevaks ja sageli loovutatakse, et jagada saadud tulemusel R kaks suurust_{DS (sees)}.

Kuid kahjuks puudub meil R_{DS (sees)}hindamiseks siin. See näib olevat mainitud olukordades kättesaamatu, kuna mis tahes jaotise osas koormusjoon vastupanu kujutav algus peab läbima algupära lineaarsel viisil.

Sellest hoolimata võib koormusjooni simuleerida kokkuvõtlikult nagu mittelineaarne takistus.

Vähemalt tagab see, et igasugune arusaam praktilisest tööst säilib lähtekohas (0, 0).

Värava laadimiskõvera omadused

Need on värava laadimiskõvera andmed, mis tegelikult annavad meile tõelise vihje MOSFET-i sisselülitamise näitajate kohta, nagu on näidatud alloleval joonisel :

Kuigi ülaltoodud kõver on kõigi MOSFET-i infolehtede standardne kaasamine, mõistab MOSFET-i kasutaja selle aluseks olevaid näitajaid harva.

Veelgi enam, MOSFET-i paigutuste, näiteks kaevikute ja varjestatud väravate tänapäevane edasiminek nõuab andmete läbivaatamist.

Näiteks spetsifikatsioon nimega „värava laadimine” võib iseenesest tunduda veidi eksitav.

Kõvera lineaarsed ja jagatud lõigud ei tundu kondensaatorit laadiva pingena, hoolimata sellest, kui palju mittelineaarset väärtust see võib näidata.

Täpsemalt öeldes tähistab värava laadimiskõver kahe mitteparalleelse kondensaatori seotud andmeid, millel on erinevad suurusjärgud ja millel on erinevad pingetasemed.

Teoreetiliselt määratletakse funktsionaalne mahtuvus MOSFET-väravaterminalist valemiga:

C_iss= C_gs+ C_gd

kus C_iss= värava mahtuvus, C_gs= värava allika mahtuvus, C_gd= värava äravoolu mahtuvus

Kuigi selle üksuse mõõtmine ja andmelehtedel täpsustamine võib tunduda üsna lihtne, tuleb siiski märkida, et mõiste C_issei ole tegelikult tegelik mahtuvus.

Võib olla täiesti vale arvata, et MOSFET lülitatakse sisse ainult värava mahtuvusele C rakendatud pinge kaudu_iss'.

Nagu on näidatud ülaltoodud joonisel, pole vahetult enne MOFET-i sisselülitamist värava mahtuvusel laengut, kuid värava äravoolu C mahtuvus_gdomab negatiivset laengut, mis tuleb kõrvaldada.

Mõlemal nimetatud mahtuvusel on mittelineaarne olemus ja nende väärtused varieeruvad suuresti, kuna rakendatavad pinged varieeruvad.

Seetõttu on oluline märkida, et MOSFETi salvestatud laengud määravad selle lülitusomadused, mitte konkreetse pingetaseme mahtuvuse väärtus.

Kuna kaks mahtuvuselementi, mis moodustavad C_issomavad erinevaid füüsilisi omadusi, kipuvad nad laadima erineva pingetasemega, mis nõuab MOSFET-i sisselülitamise protsessi läbimist ka kahes etapis.

Täpne järjestus võib takisti- ja induktiivrakenduste korral olla erinev, kuid enamasti on praktilised koormused väga induktiivsed, protsessi võiks simuleerida, nagu on kujutatud järgmisel joonisel:

Värava laadimise ajastamise järjestus

MOSFETi värava laadimise ajastamise järjestusi saab uurida allolevalt skeemilt:

Seda võib mõista järgmise selgitusega:

1. T0 - T1: C_gslaeb nullist V-ni_{GS (th)}... V_DSvõi mina_DSei läbi mingeid muudatusi.
2. T1-T2, vool hakkab tõusma MOSFETis vastusena värava pinge suurenemisele V-st_{GS (th)}platoo pingeni V_gp.
3. Siin tõuseb IDS ja jõuab täiskoormusvooluni 0 V-lt, kuigi V_DSjääb muutumatuks ja püsivaks. Seonduv laeng moodustub C integraali kaudu_gs0 V kuni V_gpja Q_gsantud andmelehtedel.
4. T2 - T3: jälgige tasast piirkonda T2 ja T3 vahel, seda nimetatakse Milleri platooks.
5. Enne sisselülitamist lülitage C_gdlaeb ja hoiab toitepinget V_IN, kuni mina_DSsaavutab tippväärtuse I (koormus) T2 juures.
6. Ajavahemik perioodide T2 ja T3 vahel, negatiivne laeng (V_IN- V_gp) teisendatakse platoo pinge V suhtes positiivseks laenguks_gp.
7. Seda saab visualiseerida ka äravoolupinge langusena V-st_INpeaaegu nullini.
8. Kaasatud laeng on võrdne umbes C-ga_gdintegraal vahemikus 0 kuni V_aastal, mida näidatakse kui Q_gdandmelehtedes.
9. Ajal T3 - T4 tõuseb värava pinge V-st_gpkuni V_GSja siin leiame V-le vaevalt muutusi_DSja mina_DS, kuid tegelik R_{DS (sees)}langeb veidi, kui värava pinge tõuseb. Mõnel pingetasemel üle V_gpannab tootjatele piisavalt enesekindlust efektiivse R ülemise piiri fikseerimiseks_{DS (sees)}.

Induktiivkoormuste jaoks

Induktiivse koormuse tõttu tuleb voolu tõus MOSFET-kanalil lõpetada enne, kui pinge hakkab langema.

Platoo alguses on MOSFET olekus VÄLJAS, suure voolu ja pinge olemasolu korral kogu äravooluallikasse.

Aja T2 ja T3 vahel laetakse Q_gdrakendatakse MOSFET-i väravale, kusjuures MOSFET-i karakteristik muundub konstantsest voolust lõpuks pideva takistuse režiimiks.

Kui toimub ülaltoodud üleminek, ei ole värava pinges V märgatavat muutust_gpleiab aset.

See on põhjus, miks pole kunagi mõistlik seostada MOSFET-i sisselülitamise protsessi konkreetse värava pinge tasemega.

Sama võib olla ka väljalülitusprotsessi puhul, mis nõuab sama kahe (varem käsitletud) laengu eemaldamist MOSFET-i väravast vastupidises järjekorras.

MOSFETi lülituskiirus

Kuigi Q_gspluss Q_gdkoos tagab MOSFETi täieliku sisselülitamise, see ei ütle meile, kui kiiresti see juhtub.

Kui kiiresti vool või pinge lülituvad, otsustab väravas olevate laenguelementide rakendamise või eemaldamise kiirus. Seda nimetatakse ka värava ajamivooluks.

Ehkki kiire tõusu ja languse kiirus tagab MOSFETide väiksemad lülituskaod, võivad need põhjustada ka süsteemi taseme tüsistusi, mis on seotud suurenenud tipppingete, võnkumiste ja elektromagnetiliste häiretega, eriti induktiivse koormuse väljalülitamise ajal.

Ülaltoodud joonisel 7 kujutatud lineaarselt langev pinge suudab võtta Cgd konstantse väärtuse, mida praktilistes rakendustes võib juhtuda MOSFET-idega.

Täpsemalt öeldes: värava-äravoolu laeng C_gdkõrgepinge superühenduse korral näitab MOSFET, näiteks SiHF35N60E, oluliselt lineaarset vastust, nagu on näha järgmisest joonisest:

Variatsioonivahemik, mis eksisteerib C väärtuses_rss(vastupidine ülekanne) on algse 100 V piires üle 200: 1. Seetõttu näib pinge tegelik langemisaeg värava laadimiskõvera suhtes sarnasem joonisel 7 punase värviga näidatud katkendjoonega.

Kõrgema pinge korral sõltuvad laengute tõusu- ja langusajad koos nende ekvivalentsete dV / dt väärtustega rohkem C väärtusest_rss, kogu kõvera integraali asemel, mis on tähistatud Q-ga_gd.

Kui kasutajad soovivad võrrelda MOSFET-i spetsifikatsioone erinevates disainikeskkondades, peaksid nad mõistma, et MOSFET-i poole Q-ga_gdväärtus ei tähenda tingimata kaks korda kiiremat lülitussagedust või 50% vähem lülituskaod.

Seda seetõttu, et vastavalt C_gdkõver ja selle suurus kõrgematel pingetel võib MOSFET-i jaoks olla täiesti võimalik, et andmelehel on madal Qgd, kuid ilma lülituskiiruse suurenemiseta.

Kokkuvõtvalt

Tegeliku rakendamise korral toimub MOSFET-i sisselülitamine mitmete protsesside kaudu, mitte etteantud parameetriga.

Vooluringide projekteerijad peavad lõpetama kujutluse, et V_{GS (th)}või pingetasemeid võiks kasutada väravapingena MOSFET-väljundi üleminekul kõrgelt madalale R-le_{DS (sees)}.

Võib olla mõttetu mõelda R-i olemasolule_{DS (sees)}allpool või üle kindla värava pingetaseme, kuna värava pinge tase ei otsusta sisuliselt MOSFET-i sisselülitamist. Pigem on süüdistused Q_gsja Q_gdsisse viidud MOSFET-i, mis täidavad seda tööd.

Võib juhtuda, et värava pinge tõuseb üle V_{GS (th)}ja V_gplaadimise / tühjendamise ajal, kuid need pole nii olulised.

Samuti võib Q keeruline funktsioon olla see, kui kiiresti tänapäeval MOSFET sisse või välja saab lülitada_gsvõi Q_gd.

MOSFET-i lülituskiiruste, eriti täiustatud MOSFET-ide hindamiseks peab disainer läbima põhjaliku uuringu värava laadimiskõvera ja seadme omaduste kohta.

Viide: https://www.vishay.com/