MOSFET Açma İşlemini Anlama

Doğru hesaplanmış bir MOSFET açma işlemi, cihazın optimum verimlilikle açılmasını sağlar.

MOSFET tabanlı devreleri tasarlarken, bir MOSFET'i AÇIK duruma getirmenin doğru yolunun ne olduğunu merak etmiş olabilirsiniz. Veya basitçe, cihazı mükemmel şekilde AÇIK duruma getirmek için cihazın kapısı / kaynağı boyunca uygulanması gereken minimum voltaj nedir?

Birçok dijital sistem için bu bir sorun olmayabilir, ancak DSP'ler, FPGA'lar ve Arduino'lar gibi 5V sistemleri çıktılarını artırmak bağlı MOSFET için optimum anahtarlama koşulu için.

Ve bu durumlarda tasarımcı, eşik voltaj verilerini almak için MOSFET'in teknik özelliklerine bakmaya başlar. Tasarımcı, MOSFET'in AÇIK hale geleceğini ve bu eşik seviyesi aşıldığında durumunun değişeceğini varsayar.

Ancak bu göründüğü kadar basit olmayabilir.

Eşik Gerilimi V nedir_{GS (th)}

Her şeyden önce, V olarak gösterilen eşik voltajının farkına varmalıyız._{GS (th)}devre tasarımcılarının endişelenmesi gereken bir şey değil.

Kesin olmak gerekirse, MOSFET'in boşaltma akımının 250 μA eşik seviyesini geçmesine neden olan kapı voltajıdır ve bu, pratik uygulamalarda normalde asla ortaya çıkmayacak koşullar altında test edilir.

Belirli analizler sırasında, cihazın yukarıda belirtilen testi için sabit bir 5V kullanılır. Ancak bu test normalde birbirine bağlı veya kısa devre yapılmış cihazın kapısı ve tahliyesi ile gerçekleştirilir. Bu bilgileri veri sayfasının kendisinde kolayca edinebilirsiniz, bu nedenle bu testin hiçbir gizemli yanı yoktur.

Yukarıdaki tablo, örnek bir MOSFET için eşik seviyelerini ve ilgili test koşullarını göstermektedir.

Arzu edilen bir uygulama için tasarımcı, örneğin düşük taraf MOSFET'inde ciddi bir sorun olabilecek 'indüklenmiş' kapı voltajı olarak bilinen korkunç bir durum hakkında endişeli olabilir. senkron kova dönüştürücü .

Daha önce tartışıldığı gibi, burada da V eşiğini geçmeyi anlamalıyız._{GS (th)}seviyesi, cihazı kesintisiz bir arıza durumuna girmeye zorlamayabilir. Bu seviye aslında tasarımcıya MOSFET'in yeni açılmaya başladığı eşiği anlatır ve işlerin tamamen bittiği bir durum değildir.

MOSFET, KAPALI durumdayken, kapı voltajının V değerinin altında tutulması tavsiye edilebilir._{GS (th)}akım sızıntısını önlemek için seviye. Ancak AÇIK konuma getirilirken bu parametre basitçe göz ardı edilebilir.

Transfer Karakteristik Eğrisi

Adlı başka bir eğri diyagramı bulacaksınız. transfer özellikleri MOSFET veri sayfalarında, artan kapı voltajına yanıt olarak AÇMA davranışını açıklamaktadır.

Kesin olmak gerekirse, bu daha çok kapı voltajı ve cihaz kasası sıcaklığına göre akım değişim analizi ile ilgili olabilir. Bu analizde V_DSsabit bir seviyede, ancak 15V civarında yüksek bir seviyede tutulur ve bu veri sayfası özelliklerinde açıklanmayabilir.

Eğriye yukarıda gösterildiği gibi bakarsak, 20 Amp boşaltma akımı için 3,2 V geçitten kaynağa voltajın yeterli olmayabileceğini anlarız.

Kombinasyon, tipik olarak 200 watt'lık bir dağılma ile 10 V'luk bir VDS ile sonuçlanacaktır.

Transfer eğrisi verileri doğrusal aralıkta çalıştırılan MOSFET'ler için yararlı olabilir, ancak eğri verileri, anahtarlama uygulamalarında MOSFET'ler için daha az öneme sahip olabilir.

Çıktı Özellikleri

Bir MOSFET'in tamamen AÇIK durumuna ilişkin gerçek verileri ortaya çıkaran eğri, aşağıda gösterildiği gibi çıktı eğrisi olarak bilinir:

Burada, çeşitli V seviyeleri için_GSMOSFET'in ileri düşüşü, akımın bir fonksiyonu olarak ölçülür. Cihaz mühendisleri bu eğri verilerini, optimum kapı voltajı seviyesini doğrulamak için kullanır.

MOSFET'in tam olarak açılmasını sağlayan her kapı voltajı seviyesi için [R_{DS (açık)}], bir dizi voltaj düşüşü alıyoruz (V_GS) boşaltma akımı ile kesinlikle doğrusal yanıta sahip olan drenajdan kaynağa. Aralık sıfırdan başlar ve yukarı doğru.

Daha düşük kapı voltajları için (V_GS), drenaj akımı arttığında, eğrinin doğrusal yanıtı kaybettiğini, 'diz' boyunca hareket ettiğini ve ardından düz gittiğini görüyoruz.

Yukarıdaki eğri ayrıntıları bize 2,5 V ila 3,6 V arasındaki bir dizi kapı voltajı için tam çıkış özellikleri sağlar.

MOSFET kullanıcıları bunu normalde doğrusal işlev olarak düşünebilirler. Bununla birlikte, cihaz mühendisleri, aksine, uygulanan kapı voltajı için mevcut doygunluk bölgesini öneren grafiğin gri bölgesine daha fazla dikkat etmeyi tercih edebilir.

Doygunluk noktasına veya doygunluk sınırına değen mevcut verileri ortaya çıkarır. Bu noktada, eğer V_DSartarsa, akımda marjinal bir artışa neden olur, ancak boşaltma akımındaki küçük bir artış çok daha büyük bir V'ye yol açabilir._DS.

MOSFET'in tamamen AÇIK hale gelmesini sağlayan arttırılmış geçit voltaj seviyeleri için, yeşil gölgeli alan bize dirençli (veya Ohmik) bölge olarak gösterilen işlemin çalışma noktasını gösterecektir.

Lütfen buradaki eğrilerin yalnızca tipik değerleri gösterdiğini ve minimum veya maksimum sınırlar içermediğini unutmayın.

Daha düşük ortam sıcaklıklarında çalışırken, cihaz direnç bölgesinde kalmak için daha yüksek kapı voltajına ihtiyaç duyar ve bu% 0,3 / ° C oranında yukarı çıkabilir.

MOSFET RDS nedir (açık)

Cihaz mühendisleri MOSFET'in çıktı özellikleriyle karşılaşmak zorunda kaldıklarında, esasen R hakkında bilgi edinmek isteyeceklerdir._{DS (açık)}belirli çalışma koşullarına referansla cihazın.

Genellikle bu, V'nin bir karışımı olabilir_GSve ben_DSeğrinin düz çizgiden gri gölgeyle gösterilen kısma saptığı alan boyunca.

Yukarıda tartışılan örnek, 10 Amperlik bir başlangıç ​​akımı ile 3.1 V'luk bir kapı voltajı göz önüne alındığında, mühendisler R_{DS (açık)}tahmini değerden daha büyük olma eğiliminde olacaktır. Bunu söyledikten sonra, MOSFET üreticisinin bununla ilgili yaklaşık bir veri sağlamasını bekliyor muyuz?

Her iki miktar V ile_DSve ben_DSeğride kolayca elde edilebilir, sonuçta ortaya çıkan R'deki iki miktarı bölmek için çok cazip hale gelebilir ve sıklıkla teslim edilir._{DS (açık)}.

Ancak, ne yazık ki bir R'ye sahip değiliz_{DS (açık)}burada değerlendirme için. Görünüşe göre, söz konusu durumlar için mevcut değil. yük hattı bir direnci temsil etmek, orijinden doğrusal bir şekilde geçmek zorundadır.

Bununla birlikte, doğrusal olmayan bir direnç gibi toplu bir biçimde yük hattını simüle etmek mümkün olabilir.

En azından bu, pratik çalışma anlayışının kökeninde (0, 0) sürdürüldüğünü garanti edecektir.

Kapı Şarj Eğrisi Özellikleri

Aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi MOSFET'in AÇIK özellikleriyle ilgili bize gerçek bir ipucu veren kapı şarj eğrisi verileridir. :

Yukarıdaki eğri, tüm MOSFET veri sayfalarında standart bir dahil etme olmasına rağmen, temeldeki göstergeler MOSFET kullanıcısı tarafından nadiren anlaşılır.

Dahası, hendek ve korumalı kapılar gibi MOSFET düzenlerindeki modern ilerleme, verilerin gözden geçirilmiş bir adreslemesini gerektirir.

Örneğin, 'kapı ücreti' adlı belirtim kendi başına biraz yanıltıcı görünebilir.

Eğrinin doğrusal ve bölünmüş bölümleri, ne kadar doğrusal olmayan değer sergileyebileceğine bakılmaksızın, bir kondansatörü yükleyen voltaj gibi görünmez.

Kesin olarak, kapı şarj eğrisi, farklı büyüklüklere sahip ve farklı voltaj seviyeleri taşıyan, paralel olmayan iki kapasitörün ilişkili bir verilerini belirtir.

Teorik olarak, MOSFET geçit terminalinden görüldüğü gibi fonksiyonel kapasite, denklemle tanımlanır:

C_ISS= C_gs+ C_gd

nerede C_ISS= kapı kapasitansı, C_gs= kapı kaynak kapasitansı, C_gd= kapı boşaltma kapasitansı

Bu birimi ölçmek ve veri sayfalarında belirtmek oldukça basit görünse de, C teriminin belirtilmesi gerekir._ISSaslında gerçek bir kapasite değil.

Bir MOSFET'in yalnızca 'kapı kapasitansı C'ye uygulanan bir voltaj yoluyla AÇIK konuma getirildiğini düşünmek tamamen yanlış olabilir._ISS'.

Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, bir MOFET AÇILMADAN hemen önce, kapı kapasitansının şarjı yoktur, ancak kapak tahliyesi C'deki kapasitans_gdortadan kaldırılması gereken negatif bir yüke sahiptir.

Bu kapasitansların her ikisi de doğrusal olmayan bir yapıya sahiptir ve uygulanan voltajlar değiştikçe değerleri büyük ölçüde değişir.

Bu nedenle, anahtarlama özelliklerini belirleyen MOSFET'in depolanan yükleri olduğunu ve belirli bir voltaj seviyesi için kapasitans değeri olmadığını not etmek önemlidir.

C'yi oluşturan iki kapasitans elemanı_ISSfarklı fiziksel özelliklere sahip olduklarında, farklı voltaj seviyeleri ile şarj olma eğilimindedirler ve MOSFET'in AÇMA işleminin de iki aşamadan geçmesini gerektirir.

Kesin sıra, dirençli ve endüktif uygulamalar için farklı olabilir, ancak tipik olarak en pratik yükler oldukça endüktiftir, işlem aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi simüle edilebilir:

Kapı Şarjı Zamanlama Sırası

MOSFET'in kapı şarj zamanlama dizileri aşağıdaki diyagramdan incelenebilir:

Aşağıdaki açıklama ile anlaşılabilir:

1. T0 - T1: C_gssıfırdan V'ye şarj_{GS (th)}... V_DSveya ben_DSherhangi bir değişiklik yapmaz.
2. T1-T2, V'den artan kapı voltajına yanıt olarak MOSFET'te akım yükselmeye başlar._{GS (th)}plato voltajına kadar V_gp.
3. Burada IDS artar ve 0 V'den tam yük akımına ulaşır, ancak V_DSetkilenmeden ve sabit kalır. İlişkili yük, C'nin integrali aracılığıyla oluşturulur_gs0 V'den V'ye_gpve Q_gsveri sayfalarında verilmiştir.
4. T2 - T3: T2 ve T3 arasındaki düz bölgeyi gözlemleyin, Miller platosu denir.
5. Açmadan önce, C_gdV besleme gerilimine kadar şarj eder ve tutar_İÇİNDE, bana kadar_DST2'de I tepe değerine (yük) ulaşır.
6. T2 ve T3 periyodu arasındaki süre, negatif yük (V_İÇİNDE- V_gp) plato voltajına göre pozitif yüke dönüştürülür V_gp.
7. Bu aynı zamanda V'den drenaj voltajının düşmesi olarak da görselleştirilebilir._İÇİNDEneredeyse sıfıra kadar.
8. İlgili yük, C civarında eşittir_gd0'dan V'ye integral_içindeQ olarak gösterilen_gdveri sayfalarında.
9. T3 - T4 sırasında, kapı voltajı V'den yükselir_gpV'ye_GSve burada V için neredeyse hiç değişiklik bulmuyoruz_DSve ben_DS, ancak etkili R_{DS (açık)}Kapı voltajı yükseldikçe biraz düşer. V'nin üzerindeki bazı voltaj seviyelerinde_gp, üreticilere etkin R üzerindeki üst sınırı sabitlemek için yeterli güven sağlar._{DS (açık)}.

Endüktif Yükler İçin

Endüktif yük nedeniyle MOSFET kanalındaki akım yükselmesinin, voltaj düşmeye başlamadan önce tamamlanması gerekir.

Platonun başlangıcında, MOSFET, yüksek akım ve drenajdan kaynağa voltaj varlığında KAPALI durumdadır.

T2 ve T3 zamanları arasında, bir Q yükü_gdMOSFET'in kapısına uygulanır, burada MOSFET özelliği, sonunda sabit akımdan sabit direnç moduna dönüşür.

Yukarıdaki geçiş gerçekleştiğinde, kapı voltajında ​​V gözle görülür bir değişiklik yok_gpyer alır.

Bu nedenle, bir MOSFET açma işlemini herhangi bir belirli kapı voltajı seviyesiyle ilişkilendirmenin asla akıllıca bir fikir olmamasıdır.

Aynısı, aynı iki yükün (daha önce tartışılmış olan) ters sırada MOSFET'in kapısından kaldırılmasını talep eden KAPATMA işlemi için de geçerli olabilir.

MOSFET Anahtarlama Hızı

Q iken_gsartı Q_gdbirlikte MOSFET'in tamamen AÇIK hale gelmesini sağlar, bunun ne kadar hızlı olacağını bize söylemez.

Akımın veya voltajın ne kadar hızlı değişeceğine, kapıdaki şarj elemanlarının uygulandığı veya çıkarıldığı orana göre karar verilir. Bu aynı zamanda kapı tahrik akımı olarak da adlandırılır.

Hızlı bir yükselme ve düşme oranı, MOSFET'lerde daha düşük anahtarlama kayıpları sağlasa da, bunlar, özellikle endüktif yükün kapanma anları sırasında, artan tepe gerilimleri, salınımlar ve elektromanyetik girişimle ilgili sistem düzeyinde komplikasyonlara neden olabilir.

Yukarıdaki Şekil 7'de tasvir edilen doğrusal olarak düşen voltaj, pratik uygulamalarda MOSFET'lerin başına pek gelmeyen sabit bir Cgd değeri almayı başarır.

Kesin olarak, kapı boşaltma yükü C_gdSiHF35N60E gibi yüksek voltajlı bir süper bağlantı için MOSFET, aşağıdaki şekilde de görülebileceği gibi, önemli ölçüde yüksek doğrusal yanıt sergiler:

C değerinde var olan varyasyon aralığı_rss(ters transfer) ilk 100 V içinde 200: 1'den fazladır. Bundan dolayı, kapı şarj eğrisine karşı gerilimin gerçek düşüş süresi, şekil 7'de kırmızı renkte gösterilen kesikli çizgi gibi görünür.

Daha yüksek voltajlarda, yüklerin yükselme ve düşme süreleri, eşdeğer dV / dt değerleri ile birlikte C'nin değerine daha bağlıdır._rssQ olarak gösterilen tüm eğrinin integrali yerine_gd.

Kullanıcılar MOSFET özelliklerini farklı tasarım ortamlarında karşılaştırmak istediklerinde, MOSFET'in Q'nun yarısına sahip olduğunu anlamalıdırlar._gddeğerin iki kat daha hızlı anahtarlama oranı veya% 50 daha az anahtarlama kaybı olması gerekmez.

Bunun nedeni, C'ye göre_gdeğrisi ve daha yüksek voltajlardaki büyüklüğü, bir MOSFET'in veri sayfasında düşük bir Qgd'ye sahip olması, ancak anahtarlama hızında herhangi bir artış olmadan oldukça mümkün olabilir.

Özetleme

Gerçek uygulamada, bir MOSFET'in AÇILMASI, önceden belirlenmiş bir parametre ile değil, bir dizi işlem yoluyla gerçekleşir.

Devre tasarımcıları, V'nin_{GS (th)}veya voltaj seviyeleri, MOSFET çıkışını yüksekten düşüğe R'ye çevirmek için geçit voltajı olarak kullanılabilir._{DS (açık)}.

Bir R'ye sahip olmayı düşünmek boşuna olabilir_{DS (açık)}Belirli bir geçit voltaj seviyesinin altında veya üstünde, çünkü kapı voltajı seviyesi, bir MOSFET'in AÇIK konuma gelmesine doğal olarak karar vermez. Daha ziyade, Q ücretleri_gsve Q_gdişi yürüten MOSFET'e tanıtıldı.

Kapı voltajının V'nin üzerinde yükseldiğini görebilirsiniz._{GS (th)}ve V_gpşarj / deşarj işlemi sırasında ancak bunlar çok önemli değil.

Aynı şekilde, bugünün MOSFET'in ne kadar hızlı AÇIK veya KAPALI olabileceği, Q'nun karmaşık bir işlevi olabilir._gsveya Q_gd.

MOSFET anahtarlama hızlarını, özellikle gelişmiş MOSFET'leri değerlendirmek için, tasarımcı, kapı şarj eğrisi ve cihazın kapasitans karakteristiği ile ilgili kapsamlı bir çalışma yapmalıdır.

Referans: https://www.vishay.com/