Memahami Proses Pusingkan MOSFET

Proses pengaktifan MOSFET yang dikira dengan betul memastikan bahawa peranti dihidupkan dengan kecekapan yang optimum.

Semasa merancang litar berasaskan MOSFET, anda mungkin tertanya-tanya apakah cara yang betul untuk menghidupkan MOSFET? Atau sekadar berapakah voltan minimum yang harus digunakan di seluruh pintu / sumber peranti untuk menghidupkannya dengan sempurna?

Walaupun untuk banyak sistem digital ini mungkin tidak menjadi masalah, sistem 5V seperti DSP, FPGA, dan Arduino memerlukan meningkatkan output mereka untuk keadaan pensuisan optimum untuk MOSFET yang disambungkan.

Dan dalam situasi ini, pereka mula melihat spesifikasi MOSFET untuk mendapatkan data voltan ambang. Pereka menganggap bahawa MOSFET akan menyala dan mengubah keadaan apabila tahap ambang ini dilintasi.

Walau bagaimanapun, ini mungkin tidak semudah yang disangka.

Apakah Voltan Ambang V_{GS (th)}

Pertama sekali kita mesti menyedari bahawa voltan ambang, dilambangkan sebagai V_{GS (th)}bukan untuk dibimbangkan oleh pereka litar.

Tepatnya, voltan gerbang inilah yang menyebabkan arus pengaliran MOSFET melintasi tahap ambang 250 μA, dan ini diuji dalam keadaan yang tidak mungkin berlaku dalam aplikasi praktikal.

Semasa analisis tertentu, 5V pemalar digunakan untuk pengujian peranti yang disebutkan di atas. Tetapi ujian ini biasanya dilaksanakan dengan pintu gerbang dan saluran peranti dihubungkan atau dipendekkan antara satu sama lain. Anda boleh mendapatkan maklumat ini dengan mudah dalam lembar data itu sendiri, jadi tidak ada yang misteri mengenai ujian ini.

Jadual di atas menunjukkan tahap ambang dan syarat ujian yang relevan untuk contoh MOSFET.

Untuk aplikasi yang diinginkan, pereka mungkin bimbang dengan situasi yang ditakuti yang dikenali sebagai voltan gerbang 'diinduksi', yang mungkin menjadi masalah serius misalnya di MOSFET sisi rendah penukar buck segerak .

Seperti yang telah dibincangkan sebelumnya, di sini juga kita harus memahami bahawa melintasi ambang V_{GS (th)}tahap mungkin tidak memaksa peranti untuk mengalami keadaan pemecahan tembakan. Tahap ini sebenarnya memberitahu pereka mengenai ambang di mana MOSFET baru mulai AKTIF dan bukan situasi di mana semuanya berakhir sama sekali.

Mungkin disarankan bahawa semasa MOSFET berada dalam keadaan OFF OFF, voltan gerbang dikekalkan di bawah V_{GS (th)}tahap, untuk mengelakkan kebocoran semasa. Tetapi semasa menghidupkannya, parameter ini boleh diabaikan.

Pindahkan Keluk Karakteristik

Anda akan menemui gambarajah lengkung lain yang dinamakan ciri pemindahan dalam lembar data MOSFET menjelaskan tingkah laku AKTIFnya sebagai tindak balas terhadap peningkatan voltan pintu.

Tepatnya ini mungkin lebih berkaitan dengan analisis variasi semasa berkenaan dengan voltan pintu dan suhu kes peranti. Dalam analisis ini V_DSdiadakan pada tahap tetap tetapi tahap tinggi, sekitar 15V, yang mungkin tidak dinyatakan dalam spesifikasi lembar data.

Sekiranya kita merujuk pada lengkung seperti yang ditunjukkan di atas, kita menyedari bahawa untuk arus pengaliran 20 Amp, voltan pintu-ke-sumber 3.2 V mungkin tidak mencukupi.

Gabungan itu akan menghasilkan VDS 10 V biasanya dengan pelesapan 200 watt.

Data kurva pemindahan dapat berguna untuk MOSFET yang dikendalikan dalam julat linier, namun data lengkung mungkin kurang bermakna bagi MOSFET dalam menukar aplikasi.

Ciri-ciri Keluaran

Lengkung yang mendedahkan data sebenar mengenai keadaan MOSFET yang AKTIF sepenuhnya dikenali sebagai keluk keluaran seperti yang ditunjukkan di bawah:

Di sini, untuk pelbagai tahap V_GSpenurunan hadapan MOSFET diukur sebagai fungsi arus. Jurutera peranti menggunakan data lengkung ini untuk mengesahkan tahap voltan pintu yang optimum.

Untuk setiap tahap voltan pintu yang memastikan suis penuh MOSFET [R_{DS (dihidupkan)}], kita mendapat pelbagai penurunan voltan (V_GS) merentasi longkang ke sumber mempunyai tindak balas linear yang ketat dengan arus saliran. Julatnya bermula dari sifar dan ke atas.

Untuk voltan pintu yang lebih rendah (V_GS), apabila arus pengaliran dinaikkan, kita dapati lengkungan kehilangan tindak balas linier, bergerak melalui 'lutut' dan kemudian mendatar.

Perincian lengkung di atas memberi kami ciri output lengkap untuk rangkaian voltan pintu dari 2.5 V hingga 3.6 V.

Pengguna MOSFET biasanya menganggap ini sebagai fungsi linear. Walau bagaimanapun, sebaliknya, jurutera peranti mungkin lebih suka memberi perhatian lebih banyak pada kawasan kelabu grafik yang menunjukkan kawasan tepu semasa untuk voltan gerbang terpakai.

Ia mendedahkan data terkini yang telah menyentuh titik tepu atau had tepu. Pada ketika ini, jika V_DSmeningkat akan menghasilkan kenaikan arus yang sedikit, tetapi kenaikan arus pengaliran yang kecil dapat menyebabkan V yang jauh lebih besar_DS.

Untuk peningkatan tahap voltan pintu, yang membolehkan MOSFET dihidupkan sepenuhnya, kawasan berlorek hijau akan menunjukkan kepada kita titik operasi untuk proses tersebut, yang ditunjukkan sebagai kawasan resistif (atau Ohmic).

Harap maklum bahawa lengkung di sini menunjukkan nilai tipikal sahaja, dan tidak termasuk had minimum atau maksimum.

Semasa beroperasi pada suhu sekitar yang lebih rendah, peranti memerlukan voltan gerbang yang lebih tinggi untuk tetap berada di kawasan resistif, yang mungkin naik ke atas pada kadar 0.3% / ° C.

Apa itu MOSFET RDS (aktif)

Apabila jurutera peranti mesti menemui ciri output MOSFET, mereka pada dasarnya ingin belajar mengenai R_{DS (dihidupkan)}peranti dengan merujuk kepada keadaan operasi tertentu.

Secara amnya, ini boleh menjadi campuran V_GSdan saya_DSmelintasi kawasan di mana lekukan telah menyimpang dari garis lurus ke bahagian yang ditunjukkan oleh warna kelabu.

Mengingat contoh yang dibincangkan di atas, voltan gerbang 3.1 V dengan arus awal 10 Amps, para jurutera akan mengetahui bahawa R_{DS (dihidupkan)}akan cenderung lebih besar daripada nilai yang dianggarkan. Setelah mengatakan ini, adakah kita mengharapkan pengeluar MOSFET memberikan data anggaran mengenai perkara ini?

Dengan kedua-dua kuantiti V_DSdan saya_DSmudah didapati dalam lekukan itu mungkin menjadi terlalu menarik, dan sering diserahkan kepada, untuk membahagi dua kuantiti pada hasil R_{DS (dihidupkan)}.

Namun, sayangnya kita tidak mempunyai R_{DS (dihidupkan)}untuk penilaian di sini. Nampaknya tidak tersedia untuk situasi yang disebutkan kerana untuk bahagian mana pun di garis beban mewakili rintangan harus melintasi asal dengan cara linear.

Oleh itu, mungkin untuk mensimulasikan garis beban dalam bentuk agregat seperti rintangan tidak linier.

Sekurang-kurangnya, ini akan menjamin bahawa pemahaman mengenai praktik kerja dapat bertahan sejak awal (0, 0).

Ciri Keluk Caj Gerbang

Data kurva caj gerbang inilah yang sebenarnya memberi kita petunjuk sebenar mengenai spesifikasi AKTIF MOSFET seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah :

Walaupun kurva di atas adalah penyertaan standard dalam semua lembar data MOSFET, indikasi yang mendasari jarang dipahami oleh pengguna MOSFET.

Lebih-lebih lagi, kemajuan moden dalam susun atur MOSFET, seperti parit dan gerbang terlindung, menuntut peninjauan data yang disemak semula.

Sebagai contoh, spesifikasi bernama 'gate-charge' mungkin kelihatan sedikit mengelirukan dengan sendirinya.

Bahagian lengkung dan lurus yang dibahagi tidak kelihatan seperti voltan yang menguatkan kapasitor, tanpa mengira berapa banyak nilai bukan linear yang dapat ditunjukkannya.

Tepatnya, keluk muatan pintu menandakan data berkaitan dua kapasitor tidak selari, yang mempunyai magnitud yang tidak sama dan membawa tahap voltan yang berbeza.

Secara teori, kapasitansi berfungsi seperti yang disaksikan dari terminal gerbang MOSFET didefinisikan dengan persamaan:

C_penerbitan= C_gs+ C_gd

di mana C_penerbitan= kapasitansi pintu, C_gs= kapasitansi sumber gerbang, C_gd= kapasiti longkang pintu

Walaupun nampaknya agak sederhana untuk mengukur unit ini dan menentukan dalam lembar data, harus diperhatikan bahawa istilah C_penerbitansebenarnya bukan kapasitansi sebenar.

Mungkin salah sama sekali jika MOSFET dihidupkan hanya melalui voltan yang dikenakan pada 'kapasitansi gerbang C_penerbitan'.

Seperti yang ditunjukkan dalam gambar di atas, tepat sebelum MOFET dihidupkan, kapasitansi gerbang tidak mempunyai muatan, tetapi kapasitansi di pintu-drain drain C_gdmempunyai cas negatif yang perlu dihapuskan.

Kedua-dua kapasitans ini mempunyai sifat tidak linear dan nilainya sangat berbeza kerana voltan yang dikenakan berbeza.

Oleh itu, penting untuk diperhatikan bahawa caj MOSFET tersimpan yang menentukan ciri pensuisannya, dan bukan nilai kapasitans untuk tahap voltan tertentu.

Oleh kerana dua unsur kapasitansi membentuk C_penerbitanmempunyai sifat fizikal yang berbeza, mereka cenderung dikenakan dengan tahap voltan yang berbeza, memerlukan proses menghidupkan MOSFET juga melalui dua tahap.

Urutan tepat mungkin berbeza untuk aplikasi resistif dan induktif, tetapi biasanya kebanyakan beban praktikal sangat induktif, prosesnya dapat disimulasikan seperti yang digambarkan dalam gambar berikut:

Urutan Masa Bayaran Gerbang

Urutan masa pengecasan gerbang MOSFET dapat dikaji dari rajah di bawah:

Mungkin difahami dengan penjelasan berikut:

1. T0 - T1: C_gscaj dari sifar hingga V_{GS (th)}... V_DSatau saya_DStidak melalui sebarang perubahan.
2. T1-T2, arus mula meningkat di MOSFET sebagai tindak balas terhadap voltan gerbang yang meningkat dari V_{GS (th)}hingga voltan dataran tinggi V_gp.
3. Di sini, IDS meningkat dan mencapai arus beban penuh dari 0 V, walaupun V_DStetap tidak terjejas dan berterusan. Cas yang berkaitan dibentuk melalui kamiran C_gsdari 0 V hingga V_gp, dan Q_gsdiberikan dalam lembaran data.
4. T2 - T3: Perhatikan kawasan rata antara T2 dan T3, ia dipanggil dataran tinggi Miller.
5. Sebelum menghidupkan, C_gdmengecas dan menahan sehingga voltan bekalan V_DALAM, sehingga saya_DSmencapai nilai puncak I (beban) pada T2.
6. Masa antara tempoh T2 dan T3, cas negatif (V_DALAM- V_gp) ditukar menjadi cas positif berkenaan dengan voltan dataran tinggi V_gp.
7. Ini juga dapat dilihat sebagai kejatuhan voltan saliran dari V_DALAMhingga hampir sifar.
8. Caj yang terlibat sama dengan sekitar C_gdkamiran dari 0 hingga V_dalam, yang ditunjukkan sebagai Q_gddalam lembaran data.
9. Semasa T3 - T4, voltan pintu masuk dari V_gphingga V_GS, dan di sini hampir tidak ada perubahan untuk V_DSdan saya_DS, tetapi R berkuat kuasa_{DS (dihidupkan)}turun sedikit ketika voltan pintu naik. Pada tahap voltan di atas V_gp, memberikan keyakinan yang cukup kepada para pembuat untuk menetapkan had atas R yang berkesan_{DS (dihidupkan)}.

Untuk Beban Induktif

Kenaikan arus di saluran MOSFET kerana beban induktif perlu diselesaikan sebelum voltan mula jatuh.

Pada permulaan dataran tinggi, MOSFET berada dalam keadaan OFF, dengan adanya arus tinggi dan voltan melintasi longkang ke sumber.

Antara masa T2 dan T3, caj Q_gddigunakan pada pintu MOSFET, di mana ciri MOSFET berubah dari arus berterusan ke mod rintangan berterusan pada akhir.

Apabila peralihan di atas berlaku, tidak ada perubahan ketara pada voltan gerbang V_gpmengambil tempat.

Inilah sebab mengapa tidak menjadi idea yang bijak untuk mengaitkan proses MOSFET ON ON dengan tahap voltan pintu tertentu.

Perkara yang sama mungkin berlaku untuk proses OFF OFF, yang menuntut dua caj yang sama (dibincangkan sebelumnya) dihapuskan dari pintu MOSFET dalam urutan yang bertentangan.

Kelajuan Beralih MOSFET

Sementara Q_gstambah Q_gdbersama-sama memastikan bahawa MOSFET akan AKTIF sepenuhnya, ia tidak memberitahu kita tentang seberapa cepat perkara ini akan berlaku.

Seberapa cepat arus atau voltan akan berubah ditentukan oleh kadar di mana unsur-unsur cas di pintu digunakan atau dikeluarkan. Ini juga disebut sebagai arus pemacu gerbang.

Walaupun kadar kenaikan dan penurunan yang cepat memastikan kerugian beralih yang lebih rendah dalam MOSFET, ini juga boleh menimbulkan komplikasi tahap sistem yang berkaitan dengan peningkatan voltan puncak, ayunan, dan gangguan elektromagnetik, terutama semasa mematikan beban induktif.

Voltan jatuh secara linear yang digambarkan dalam Rajah 7 di atas berjaya mengambil nilai tetap Cgd, yang hampir tidak mungkin berlaku pada MOSFET dalam aplikasi praktikal.

Tepatnya, pengaliran pintu masuk C_gduntuk MOSFET simpang voltan tinggi seperti SiHF35N60E menunjukkan tindak balas linear yang tinggi, seperti yang dapat dilihat pada rajah berikut:

Julat variasi yang wujud dalam nilai C_rss(pemindahan terbalik) lebih daripada 200: 1 dalam 100 V. Awal. Oleh kerana itu, masa jatuh voltan yang sebenarnya terhadap lengkung cas pintu kelihatan lebih seperti garis putus-putus yang ditunjukkan dengan warna merah pada gambar 7

Pada voltan yang lebih tinggi, masa kenaikan dan penurunan caj, bersamaan dengan nilai dV / dt setara mereka lebih bergantung pada nilai C_rss, bukannya kamiran keseluruhan lengkung yang ditunjukkan sebagai Q_gd.

Apabila pengguna ingin membandingkan spesifikasi MOSFET dalam persekitaran reka bentuk yang berbeza, mereka harus menyedari bahawa MOSFET dengan separuh Q_gdnilai tidak semestinya menampilkan kadar pertukaran dua kali lebih pantas, atau 50% lebih sedikit kerugian beralih.

Ini kerana, menurut C_gdlengkung dan besarannya pada voltan yang lebih tinggi, mungkin MOSFET mempunyai Qgd rendah dalam lembaran data, tetapi tanpa peningkatan kelajuan beralih.

Meringkaskan

Dalam pelaksanaan sebenarnya, pengaktifan MOSFET terjadi melalui serangkaian proses, dan bukan dengan parameter yang telah ditentukan.

Pereka litar mesti berhenti membayangkan bahawa V_{GS (th)}, atau tahap voltan dapat digunakan sebagai voltan gerbang untuk menukar output MOSFET dari tinggi ke rendah R_{DS (dihidupkan)}.

Mungkin sia-sia memikirkan memiliki R_{DS (dihidupkan)}di bawah atau di atas tahap voltan gerbang tertentu, kerana tahap voltan pintu tidak secara intrinsik memutuskan AKTIFKAN MOSFET. Ia adalah caj Q_gsdan Q_gddiperkenalkan ke dalam MOSFET yang melaksanakan tugas.

Anda mungkin mendapati voltan pintu masuk di atas V_{GS (th)}dan V_gpsemasa proses pengecasan / pelepasan tetapi ini tidak begitu penting.

Begitu juga, seberapa cepat MOSFET hari ini boleh dihidupkan atau dimatikan boleh menjadi fungsi kompleks Q_gsatau Q_gd.

Untuk menilai kelajuan beralih MOSFET, terutama MOSFET yang maju, perancang mesti melalui kajian komprehensif mengenai keluk muatan pintu dan ciri kapasitansi peranti.

Rujukan: https://www.vishay.com/