Pag-unawa sa Proseso ng Turn-ON ng MOSFET

Ang isang tamang kalkuladong proseso ng pag-turn ng MOSFET ay nagsisiguro na ang aparato ay nakabukas ON na may pinakamainam na kahusayan.

Habang nagdidisenyo ng mga circuit na batay sa MOSFET maaari kang magtaka kung ano ang tamang paraan ng pag-ON sa isang MOSFET? O kung ano ano ang minimum na boltahe na dapat mailapat sa gate / mapagkukunan ng aparato upang ganap na ilipat ito ON?

Bagaman para sa maraming mga digital na system na maaaring hindi ito isang isyu, nangangailangan ng 5V system tulad ng DSPs, FPGAs, at Arduinos pagpapalakas ng kanilang mga output para sa pinakamainam na kondisyon ng paglipat para sa konektadong MOSFET.

At sa mga sitwasyong ito nagsisimula ang taga-disenyo ng pagtingin sa mga pagtutukoy ng MOSFET upang makuha ang data ng boltahe ng threshold. Ipinapalagay ng taga-disenyo na ang MOSFET ay MAG-ON at magbabago ng estado kapag ang antas ng threshold na ito ay tumawid.

Gayunpaman ito ay maaaring hindi gaanong simple tulad ng maaaring maging.

Ano ang Threshold Voltage V_{GS (ika)}

Una sa lahat dapat nating mapagtanto na ang boltahe ng threshold, na tinukoy bilang V_{GS (ika)}ay hindi para sa mga taga-disenyo ng circuit na magalala.

Upang maging tumpak, ito ay ang boltahe ng gate na nagsasanhi ng kasalukuyang alisan ng MOSFET na tumawid sa isang antas ng threshold na 250 μA, at ito ay nasubok sa ilalim ng mga kundisyon na maaaring hindi normal na lumipat sa mga praktikal na aplikasyon.

Sa panahon ng tiyak na pagtatasa, isang pare-pareho na 5V ang ginagamit para sa nabanggit na pagsubok sa aparato sa itaas. Ngunit ang pagsubok na ito ay karaniwang ipinatutupad sa gate at alisan ng tubig ng aparato na nakakonekta o naikli sa bawat isa. Madali mong makuha ang impormasyong ito sa mismong datasheet, kaya walang mahiwaga sa pagsubok na ito.

Ipinapahiwatig ng talahanayan sa itaas ang mga antas ng threshold at ang mga kaugnay na kundisyon ng pagsubok para sa isang halimbawang MOSFET.

Para sa isang nais na aplikasyon ang taga-disenyo ay maaaring mag-alala tungkol sa isang kinakatakutang sitwasyon na kilala bilang 'sapilitan' boltahe ng gate, na maaaring isang seryosong isyu halimbawa sa isang mababang bahagi ng MOSFET ng kasabay na converter ng buck .

Tulad ng tinalakay nang maaga, narito din dapat nating maunawaan na ang pagtawid sa threshold V_{GS (ika)}Maaaring hindi mapilit ng antas ang aparato na tumakbo sa isang kundisyon ng pagkasira ng shoot-through. Ang antas na ito ay talagang nagsasabi sa taga-disenyo tungkol sa threshold kung saan nagsisimulang mag-ON ang MOSFET at hindi isang sitwasyon kung saan ang mga bagay ay natapos lamang nang buo.

Maipapayo na habang ang MOSFET ay nasa naka-switch na kondisyon na ang boltahe ng gate ay pinananatili sa ibaba ng V_{GS (ika)}antas, upang maiwasan ang kasalukuyang pagtagas. Ngunit habang ginagawa itong ON sa parameter na ito ay maaaring hindi balewalain.

Paglipat ng Characteristic Curve

Makakakita ka ng isa pang curve diagram na pinangalanan paglipat ng mga katangian sa MOSFET datasheets na nagpapaliwanag ng pag-uugali ng ON ON bilang tugon sa pagtaas ng boltahe ng gate.

Upang maging tumpak na ito ay maaaring mas nauugnay sa kasalukuyang pagtatasa ng pagkakaiba-iba tungkol sa boltahe ng gate at temperatura ng kaso ng aparato. Sa pagsusuri na ito ang V_DSay gaganapin sa isang nakapirming antas ngunit mataas na antas, sa paligid ng 15V, na maaaring hindi maipakita sa mga spec ng datasheet.

Kung mag-refer kami sa curve tulad ng ipinakita sa itaas ay napagtanto namin na para sa 20 Amp na kasalukuyang alisan ng tubig, ang 3.2 V na gate-to-source na boltahe ay maaaring hindi sapat.

Ang kumbinasyon ay magreresulta sa isang VDS na 10 V karaniwang may pagwawaldas ng 200 watts.

Ang data ng transfer curve ay maaaring maging kapaki-pakinabang para sa mga MOSFET na pinapatakbo sa saklaw na linya, subalit ang data ng curve ay maaaring may mas kaunting kahalagahan para sa MOSFETs sa paglipat ng mga application.

Mga Katangian ng Output

Ang curve na nagsisiwalat ng aktwal na data tungkol sa ganap na kondisyon ng ON ng isang MOSFET ay kilala bilang output curve tulad ng ipinakita sa ibaba:

Dito, para sa iba't ibang mga antas ng V_GSang pasulong na drop ng MOSFET ay sinusukat bilang isang pagpapaandar ng kasalukuyang. Ginagamit ng mga inhinyero ng aparato ang data ng curve na ito upang kumpirmahin ang pinakamainam na antas ng boltahe ng gate.

Para sa bawat antas ng boltahe ng gate na tinitiyak ang isang buong switch ON ng MOSFET [R_{DS (sa)}], nakakakuha kami ng isang hanay ng mga boltahe na patak (V_GS) sa buong drain-to-source na may mahigpit na linear na tugon sa kasalukuyang alisan ng tubig. Nagsisimula ang saklaw mula sa zero at pataas.

Para sa mas mababang mga voltages ng gate (V_GS), kapag nadagdagan ang kasalukuyang alisan ng tubig, nakita namin ang kurba na nawawala ang linear na tugon, lumilipat sa 'tuhod' at pagkatapos ay pagpunta sa flat.

Ang mga detalye sa curve sa itaas ay nagbibigay sa amin ng kumpletong mga katangian ng output para sa isang saklaw ng mga voltages ng gate mula 2.5 V hanggang 3.6 V.

Ang mga gumagamit ng MOSFET ay maaaring normal na isipin ito bilang isang linear function. Gayunpaman, sa kaibahan ang mga inhinyero ng aparato ay maaaring mas gusto na magbayad ng higit na pansin patungo sa kulay-abo na rehiyon ng grap na nagpapahiwatig ng kasalukuyang rehiyon ng saturation para sa inilapat na boltahe ng gate.

Ipinapakita nito ang kasalukuyang data na hinawakan ang saturation point o ang saturation limit. Sa puntong ito, kung ang V_DSay nadagdagan ay magreresulta sa isang marginal na pagtaas sa kasalukuyang, ngunit ang isang maliit na pagtaas sa kasalukuyang alisan ng tubig ay maaaring humantong sa isang mas malaking V_DS.

Para sa nadagdagang mga antas ng boltahe ng gate, na nagbibigay-daan sa MOSFET na ganap na MAG-ON, ipapakita sa amin ng berdeng may kulay na lugar ang operating point para sa proseso, na ipinahiwatig bilang rehiyon ng resistive (o Ohmic).

Mangyaring tandaan na ang mga curve dito ay nagpapakita lamang ng mga tipikal na halaga, at hindi kasama ang anumang minimum o maximum na mga hangganan.

Habang nagpapatakbo sa mas mababang mga temperatura sa paligid, mangangailangan ang aparato ng mas mataas na boltahe ng gate upang manatili sa resistive na rehiyon, na maaaring umakyat sa rate na 0.3% / ° C.

Ano ang MOSFET RDS (nasa)

Kapag kailangang makatagpo ng mga inhinyero ng aparato ang mga katangian ng output ng MOSFET, nais nilang malaman ang tungkol sa R_{DS (sa)}ng aparato na may sanggunian sa mga tukoy na kundisyon ng pagpapatakbo.

Pangkalahatan, maaari itong maging isang halo ng V_GSat ako_DSsa buong lugar kung saan ang kurba ay lumihis mula sa tuwid na linya sa bahagi na ipinahiwatig ng kulay-abong lilim.

Isinasaalang-alang ang halimbawang tinalakay sa itaas, isang boltahe ng gate na 3.1 V na may paunang kasalukuyang 10 Amps, malalaman ng mga inhinyero na ang R_{DS (sa)}ay may posibilidad na maging mas malaki kaysa sa tinatayang halaga. Sa nasabing ito, inaasahan ba nating ang tagagawa ng MOSFET na magbigay ng isang tinatayang data tungkol dito?

Sa parehong dami V_DSat ako_DSkaagad na makukuha sa curve maaari itong maging masyadong nakakaakit, at madalas na isuko, upang hatiin ang dalawang dami sa nagresultang R_{DS (sa)}.

Gayunpaman, nakalulungkot na wala kaming R_{DS (sa)}para sa pagtatasa dito. Mukhang hindi magagamit para sa mga nabanggit na sitwasyon dahil para sa anumang seksyon ng linya ng pagkarga ang kumakatawan sa isang paglaban ay kailangang tumawid sa pinagmulan sa isang linear na pamamaraan.

Sinabi na, maaaring posible na gayahin ang linya ng pag-load sa isang pinagsama-samang form tulad ng isang hindi-linear na pagtutol.

Sa minimum, garantiya nito na ang anumang pag-unawa sa praktikal na pagtatrabaho ay napapanatili sa pinagmulan (0, 0).

Mga Katangian ng Curve ng Gate Charge

Ito ang data ng curve ng singil sa gate na talagang nagbibigay sa amin ng isang tunay na pahiwatig tungkol sa turn ON specs ng MOSFET tulad ng ipinakita sa figure sa ibaba :

Bagaman ang curve sa itaas ay isang karaniwang pagsasama sa lahat ng mga datosheet ng MOSFET, ang mga pinagbabatayan na indikasyon ay bihirang maunawaan ng gumagamit ng MOSFET.

Bukod dito, ang modernong pagsulong sa mga layout ng MOSFET, tulad ng trintsera at may kalasag na mga pintuan, ay nanawagan para sa isang nabagong pag-address sa data.

Halimbawa, ang pagtutukoy na pinangalanang 'gate-charge' ay maaaring lumitaw nang bahagyang mapanlinlang sa pamamagitan ng kanyang sarili.

Ang mga guhit at nahahati na seksyon ng curve ay hindi lilitaw tulad ng boltahe na singilin ang isang kapasitor, hindi alintana kung magkano ang di-guhit na halaga na maaaring maipakita nito.

Upang maging tumpak, ang curve ng singil ng gate ay nangangahulugang isang nauugnay na data ng dalawang hindi parallel na capacitor, na mayroong hindi magkatulad na kalakhan at nagdadala ng iba't ibang mga antas ng boltahe.

Sa teorya, ang functional capacitance na nasaksihan mula sa MOSFET gate terminal ay tinukoy sa equation:

C_magbigay= C_gs+ C_gd

kung saan C_magbigay= kapasidad ng gate, C_gs= kapasidad ng mapagkukunan ng gate, C_gd= kapasidad ng kanal ng gate

Bagaman maaaring lumitaw na medyo simple upang masukat ang yunit na ito at tukuyin sa mga datasheet, dapat pansinin na ang terminong C_magbigayay talagang hindi isang tunay na kapasidad.

Maaaring ganap na maling isipin na ang isang MOSFET ay naka-ON lamang sa pamamagitan ng isang boltahe na inilapat sa 'ang gate capacitance C_magbigay'.

Tulad ng ipinahiwatig sa nasa itaas na pigura, bago pa buksan ang isang MOFET, ang capacitance ng gate ay walang bayad, ngunit ang capacitance sa gate-drain C_gdnagtataglay ng isang negatibong pagsingil na kailangang alisin.

Parehong ang mga capacitance na ito ay may likas na di-guhit at ang kanilang mga halaga ay higit na nag-iiba-iba sa pagkakaiba-iba ng inilapat na voltages.

Samakatuwid, mahalagang tandaan na ito ay ang nakaimbak na singil ng MOSFET na tumutukoy sa mga katangian ng paglipat nito, at hindi ang halaga ng capacitance para sa isang tukoy na antas ng boltahe.

Dahil ang dalawang elemento ng capacitance na bumubuo sa C_magbigaymay magkakaibang mga katangiang pisikal, may posibilidad silang makasuhan ng mga hindi magkatulad na antas ng boltahe, na nangangailangan ng proseso ng turn ON ng MOSFET na dumaan din sa dalawang yugto.

Ang tumpak na pagkakasunud-sunod ay maaaring magkakaiba para sa resistive at inductive application, ngunit karaniwang ang pinaka-praktikal na pag-load na lubos na nakaka-inductive, ang proseso ay maaaring gayahin tulad ng inilalarawan sa sumusunod na pigura:

Sequence ng Oras ng Pagsingil sa Gate

Ang mga pagkakasunud-sunod ng pagsingil sa pag-charge ng gate ng MOSFET ay maaaring pag-aralan mula sa diagram sa ibaba:

Maaari itong maunawaan sa sumusunod na paliwanag:

1. T0 - T1: C_gssingil mula zero hanggang V_{GS (ika)}... V_DSo ako_DSay hindi dumaan sa anumang mga pagbabago.
2. Ang T1-T2, kasalukuyang nagsisimulang tumataas sa MOSFET bilang tugon sa pagtaas ng boltahe ng gate mula sa V_{GS (ika)}hanggang sa boltahe ng talampas V_gp.
3. Dito, tataas ang IDS at umabot sa buong kasalukuyang pag-load mula sa 0 V, bagaman V_DSnananatiling hindi apektado at pare-pareho. Ang nauugnay na pagsingil ay nabuo sa pamamagitan ng integral ng C_gsmula 0 V hanggang V_gp, at Q_gsna ibinigay sa mga datasheet.
4. T2 - T3: Pagmasdan ang patag na rehiyon sa pagitan ng T2 at T3, tinatawag itong talampas ng Miller.
5. Bago ang switch ON, C_gdsingilin at humahawak hanggang sa supply boltahe V_SA, hanggang ako ay_DSumabot sa rurok na halagang I (load) sa T2.
6. Ang oras sa pagitan ng panahon ng T2 at T3, ang negatibong pagsingil (V_SA- V_gp) ay nai-convert sa positibong pagsingil patungkol sa boltahe ng talampas V_gp.
7. Maaari rin itong mailarawan bilang pagbagsak ng boltahe ng alisan ng tubig mula sa V_SAsa paligid ng halos zero.
8. Ang kasangkot na pagsingil ay katumbas ng paligid ng C_gdintegral mula 0 hanggang V_sa, na ipinapakita bilang Q_gdsa mga datasheet.
9. Sa panahon ng T3 - T4, ang boltahe ng gate ay umaakyat mula sa V_gpkay V_GS, at dito nakita namin na halos walang pagbabago para sa V_DSat ako_DS, ngunit ang mabisang R_{DS (sa)}bahagyang bumababa ng pagtaas ng boltahe ng gate. Sa ilang antas ng boltahe sa itaas ng V_gp, nagbibigay ng sapat na kumpiyansa sa paggawa upang ayusin ang itaas na limitasyon sa mabisang R_{DS (sa)}.

Para sa Mga Inductive Load

Ang pagtaas ng kasalukuyang sa MOSFET channel dahil sa isang inductive load ay kailangang makumpleto bago magsimulang bumagsak ang boltahe.

Sa pagsisimula ng talampas, ang MOSFET ay nasa estado ng OFF, sa pagkakaroon ng isang mataas na kasalukuyang at boltahe sa buong kanal hanggang sa mapagkukunan.

Sa pagitan ng oras ng T2 at T3, isang singil Q_gday inilalapat sa gate ng MOSFET, kung saan ang katangian ng MOSFET ay nagbabago mula sa patuloy na kasalukuyang hanggang sa pare-pareho ang mode ng paglaban sa dulo.

Kapag nangyari ang paglipat sa itaas, walang kapansin-pansing pagbabago sa boltahe ng gate V_gpnagaganap.

Ito ang dahilan na hindi kailanman isang matalinong ideya na maiugnay ang isang proseso ng pag-ON ng MOSFET sa anumang partikular na antas ng boltahe ng gate.

Ang totoo ay maaaring totoo para sa proseso ng switch OFF, na hinihingi ang parehong dalawang singil (tinalakay nang mas maaga) na matanggal mula sa gate ng MOSFET sa kabaligtaran na pagkakasunud-sunod.

Bilis ng Paglipat ng MOSFET

Habang ang Q_gsplus Q_gdmagkakasamang tinitiyak na ang MOSFET ay ganap na lilipat sa ON, hindi ito sinasabi sa amin tungkol sa kung gaano ito kadali mangyayari.

Kung gaano kabilis ang paglipat ng kasalukuyang o boltahe ay napagpasyahan ng rate na kung saan ang mga elemento ng pagsingil sa gate ay inilalapat o tinanggal. Ito ay tinatawag ding kasalukuyang gate drive.

Bagaman ang isang mabilis na pagtaas at pagbagsak na rate ay nagsisiguro ng mas mababang pagkalugi sa paglipat sa MOSFETs, maaari rin itong magdulot ng mga komplikasyon sa antas ng system na may kaugnayan sa nadagdagan na rurok na mga boltahe, oscillation, at pagkagambala ng electromagnetic, lalo na sa panahon ng pag-off ng mga instant na inductive load.

Ang linearly bumabagsak na boltahe na nakalarawan sa itaas Fig.7 ay namamahala na kumuha ng isang pare-pareho na halaga ng Cgd, na maaaring mahirap mangyari sa MOSFETs sa mga praktikal na aplikasyon.

Upang maging tumpak, ang singil sa gate-drain C_gdpara sa isang mataas na boltahe super junction MOSFET tulad ng SiHF35N60E ay nagpapakita ng isang makabuluhang mataas na linear na tugon, tulad ng makikita sa sumusunod na pigura:

Ang saklaw ng pagkakaiba-iba na umiiral sa halaga ng C_{mga rss}Ang (reverse transfer) ay higit sa 200: 1 sa loob ng paunang 100 V. Dahil dito ang aktwal na oras ng pagbagsak ng boltahe laban sa kurba ng singil sa gate ay lilitaw na mas katulad ng putol-putol na linya na ipinapakita sa pulang kulay sa pigura 7.

Sa mas mataas na boltahe, ang mga oras ng pagtaas at pagbagsak ng mga pagsingil, kasama ang kanilang katumbas na halaga ng dV / dt ay mas umaasa sa halaga ng C_{mga rss}, sa halip na ang integral ng buong curve na ipinahiwatig bilang Q_gd.

Kung nais ng mga gumagamit na ihambing ang mga spec ng MOSFET sa loob ng iba't ibang mga kapaligiran sa disenyo, dapat nilang mapagtanto na ang MOSFET na may kalahati ng Q_gdAng halaga ay hindi kinakailangang magtampok ng dalawang beses na mas mabilis na rate ng paglipat, o 50% na mas mababa sa mga pagkalugi sa paglipat.

Ito ay sapagkat, ayon sa C_gdcurve at ang lakas nito sa mas mataas na voltages, maaaring posible para sa isang MOSFET na magkaroon ng isang mababang Qgd sa datasheet, ngunit nang walang anumang pagtaas sa bilis ng paglipat.

Pagbubuod

Sa aktwal na pagpapatupad, ang pag-ON sa isang MOSFET ay nangyayari sa pamamagitan ng isang serye ng mga proseso, at hindi sa isang paunang natukoy na parameter.

Dapat ihinto ng mga taga-disenyo ng circuit ang pag-iisip ng V_{GS (ika)}, o mga antas ng boltahe ay maaaring magamit bilang boltahe ng gate para sa paglipat ng output ng MOSFET mula sa mataas hanggang sa mababang R_{DS (sa)}.

Maaaring maging walang saysay na isipin ang tungkol sa pagkakaroon ng isang R_{DS (sa)}sa ibaba o sa itaas ng isang tukoy na antas ng boltahe ng gate, dahil ang antas ng boltahe ng gate ay hindi intrinsikong magpapasya sa pag-ON ng isang MOSFET. Sa halip ito ay ang singil Q_gsat Q_gdipinakilala sa MOSFET na nagpapatupad ng trabaho.

Maaari mong makita ang pagtaas ng boltahe ng gate sa itaas ng V_{GS (ika)}at V_gpsa panahon ng proseso ng pagsingil / paglabas ngunit ang mga ito ay hindi gaanong kahalaga.

Gayundin, kung gaano kabilis ang todays MOSFET ay maaaring i-ON o OFF ay maaaring maging isang kumplikadong pag-andar ng Q_gso Q_gd.

Para sa pagsusuri ng mga bilis ng paglipat ng MOSFET, lalo na ang mga advanced na MOSFET, ang taga-disenyo ay dapat dumaan sa isang komprehensibong pag-aaral tungkol sa kurba ng singil sa gate at katangian ng capacitance ng aparato.

Sanggunian: https://www.vishay.com/