Grundlegendes zum MOSFET-Einschaltprozess

Ein korrekt berechneter MOSFET-Einschaltvorgang stellt sicher, dass das Gerät mit optimaler Effizienz eingeschaltet wird.

Beim Entwerfen von MOSFET-basierten Schaltungen haben Sie sich vielleicht gefragt, wie ein MOSFET richtig eingeschaltet werden kann. Oder einfach, welche Mindestspannung sollte an das Gate / die Source des Geräts angelegt werden, um es perfekt einzuschalten?

Obwohl dies für viele digitale Systeme möglicherweise kein Problem darstellt, benötigen 5-V-Systeme wie DSPs, FPGAs und Arduinos Steigerung ihrer Leistungen für optimale Schaltbedingungen für den angeschlossenen MOSFET.

In diesen Situationen beginnt der Entwickler, die Spezifikationen des MOSFET zu untersuchen, um die Schwellenspannungsdaten zu erhalten. Der Designer geht davon aus, dass sich der MOSFET einschalten und den Zustand ändern würde, wenn dieser Schwellenwert überschritten wird.

Dies ist jedoch möglicherweise nicht so einfach, wie es scheint.

Was ist die Schwellenspannung V._{GS (th)}

Zunächst müssen wir erkennen, dass die als V bezeichnete Schwellenspannung_{GS (th)}ist nicht für Schaltungsentwickler zu befürchten.

Um genau zu sein, ist es die Gate-Spannung, die bewirkt, dass der Drain-Strom des MOSFET einen Schwellenwert von 250 μA überschreitet, und dies wird unter Bedingungen getestet, die in praktischen Anwendungen normalerweise nie auftreten werden.

Während einer bestimmten Analyse wird eine konstante 5 V für die oben erwähnten Tests des Geräts verwendet. Dieser Test wird jedoch normalerweise durchgeführt, wenn das Gate und der Drain des Geräts miteinander verbunden oder kurzgeschlossen sind. Sie können diese Informationen leicht im Datenblatt selbst abrufen, sodass dieser Test nichts Geheimnisvolles enthält.

Die obige Tabelle zeigt die Schwellenwerte und die relevanten Testbedingungen für einen beispielhaften MOSFET.

Für eine gewünschte Anwendung könnte der Entwickler über eine gefürchtete Situation besorgt sein, die als 'induzierte' Gate-Spannung bekannt ist, was beispielsweise bei einem Low-Side-MOSFET von ein ernstes Problem sein kann Synchron-Abwärtswandler .

Wie bereits erwähnt, müssen wir auch hier verstehen, dass das Überschreiten der Schwelle V._{GS (th)}Der Füllstand zwingt das Gerät möglicherweise nicht dazu, in einen Durchschusszustand zu geraten. Diese Stufe gibt dem Konstrukteur tatsächlich Auskunft über die Schwelle, ab der der MOSFET gerade erst einschaltet, und ist keine Situation, in der die Dinge einfach ganz enden.

Es kann ratsam sein, dass die Gate-Spannung unter dem V gehalten wird, während sich der MOSFET im ausgeschalteten Zustand befindet_{GS (th)}Niveau, um einen Stromverlust zu verhindern. Beim Einschalten kann dieser Parameter jedoch einfach ignoriert werden.

Kennlinie übertragen

Sie finden ein weiteres Kurvendiagramm mit dem Namen Übertragungseigenschaften in MOSFET-Datenblättern, die das Einschaltverhalten als Reaktion auf eine steigende Gate-Spannung erläutern.

Um genau zu sein, kann dies eher mit der Stromänderungsanalyse in Bezug auf die Gate-Spannung und die Gerätegehäusetemperatur zusammenhängen. In dieser Analyse wurde die V._DSwird auf einem festen Pegel, aber einem hohen Pegel von etwa 15 V gehalten, was in den Datenblattspezifikationen möglicherweise nicht angegeben ist.

Wenn wir uns auf die oben gezeigte Kurve beziehen, stellen wir fest, dass für einen Drainstrom von 20 Ampere eine Gate-Source-Spannung von 3,2 V möglicherweise nicht ausreichend ist.

Die Kombination würde zu einem VDS von 10 V führen, typischerweise mit einer Verlustleistung von 200 Watt.

Übertragungskurvendaten können für MOSFETs nützlich sein, die im linearen Bereich betrieben werden, jedoch können die Kurvendaten für MOSFETs in Schaltanwendungen eine geringere Bedeutung haben.

Ausgabeeigenschaften

Die Kurve, die die tatsächlichen Daten bezüglich des vollständig eingeschalteten Zustands eines MOSFET anzeigt, wird als Ausgangskurve bezeichnet, wie unten gezeigt:

Hier für die verschiedenen Ebenen von V._GSDer Vorwärtsabfall des MOSFET wird als Funktion des Stroms gemessen. Geräteingenieure verwenden diese Kurvendaten, um den optimalen Pegel der Gate-Spannung zu bestätigen.

Für jeden Gate-Spannungspegel, der ein vollständiges Einschalten des MOSFET gewährleistet [R._{DS (ein)}] erhalten wir einen Bereich von Spannungsabfällen (V._GS) über Drain-Source mit streng linearer Reaktion mit dem Drainstrom. Der Bereich beginnt bei Null und aufwärts.

Für niedrigere Gatespannungen (V._GS) Wenn der Drainstrom erhöht wird, verliert die Kurve die lineare Reaktion, bewegt sich durch das 'Knie' und geht dann flach.

Die obigen Kurvendetails liefern uns die vollständigen Ausgangskennlinien für einen Bereich von Gatespannungen von 2,5 V bis 3,6 V.

MOSFET-Benutzer können dies normalerweise als lineare Funktion betrachten. Im Gegensatz dazu ziehen es Geräteingenieure möglicherweise vor, dem grauen Bereich des Diagramms mehr Aufmerksamkeit zu schenken, was den Stromsättigungsbereich für die angelegte Gate-Spannung nahe legt.

Es werden die aktuellen Daten angezeigt, die den Sättigungspunkt oder die Sättigungsgrenze berührt haben. An diesem Punkt, wenn die V._DSEine Erhöhung führt zu einer geringfügigen Erhöhung des Stroms, eine geringfügige Erhöhung des Drainstroms kann jedoch zu einem viel größeren V führen_DS.

Bei erhöhten Gate-Spannungspegeln, die es dem MOSFET ermöglichen, sich vollständig einzuschalten, zeigt der grün schattierte Bereich den Betriebspunkt für den Prozess an, der als Widerstandsbereich (oder Ohmscher Bereich) angezeigt wird.

Bitte beachten Sie, dass die Kurven hier nur die typischen Werte anzeigen und keine minimalen oder maximalen Grenzen enthalten.

Während des Betriebs bei niedrigeren Umgebungstemperaturen benötigt das Gerät eine höhere Gate-Spannung, um im Widerstandsbereich zu bleiben, der mit einer Geschwindigkeit von 0,3% / ° C nach oben gehen kann.

Was ist MOSFET RDS (ein)

Wenn Geräteingenieure auf die Ausgangseigenschaften des MOSFET stoßen müssen, möchten sie im Wesentlichen etwas über das R lernen_{DS (ein)}des Geräts unter Bezugnahme auf die spezifischen Betriebsbedingungen.

Im Allgemeinen kann dies eine Mischung aus V sein_GSund ich_DSüber den Bereich, in dem die Kurve von der geraden Linie in den durch den Grauton angezeigten Bereich abgewichen ist.

In Anbetracht des oben diskutierten Beispiels, einer Gate-Spannung von 3,1 V mit einem Anfangsstrom von 10 Ampere, werden die Ingenieure wissen, dass der R._{DS (ein)}wird tendenziell größer als der geschätzte Wert sein. Erwarten wir jedoch, dass der MOSFET-Hersteller diesbezüglich ungefähre Daten liefert?

Mit beiden Größen V._DSund ich_DSin der Kurve leicht erhältlich, kann es zu verlockend werden und wird oft aufgegeben, um die beiden Größen am resultierenden R zu teilen_{DS (ein)}.

Leider haben wir kein R._{DS (ein)}für die Bewertung hier. Es scheint für die genannten Situationen nicht verfügbar zu sein, da für jeden Abschnitt der Lastlinie Die Darstellung eines Widerstands muss den Ursprung linear durchqueren.

Es kann jedoch möglich sein, die Lastlinie in aggregierter Form wie einen nichtlinearen Widerstand zu simulieren.

Dies garantiert zumindest, dass das Verständnis für praktisches Arbeiten am Ursprung erhalten bleibt (0, 0).

Eigenschaften der Gate-Ladungskurve

Es sind die Gate-Ladungskurvendaten, die uns tatsächlich einen echten Hinweis auf die Einschaltspezifikationen des MOSFET geben, wie in der folgenden Abbildung gezeigt ::

Obwohl die obige Kurve ein Standardeinschluss in allen MOSFET-Datenblättern ist, werden die zugrunde liegenden Angaben vom MOSFET-Benutzer selten verstanden.

Darüber hinaus erfordert die moderne Weiterentwicklung der MOSFET-Layouts wie Graben- und abgeschirmte Gates eine überarbeitete Adressierung der Daten.

Beispielsweise kann die als 'Gate-Charge' bezeichnete Spezifikation für sich genommen leicht irreführend erscheinen.

Die linearen und geteilten Abschnitte der Kurve erscheinen nicht wie eine Spannung, die einen Kondensator auflädt, unabhängig davon, wie viel nichtlinearen Wert er aufweisen kann.

Um genau zu sein, bezeichnet die Gate-Ladungskurve zugehörige Daten von zwei nicht parallelen Kondensatoren, die unterschiedliche Größen haben und unterschiedliche Spannungspegel führen.

Theoretisch wird die vom MOSFET-Gate-Anschluss beobachtete Funktionskapazität mit folgender Gleichung definiert:

C._iss= C._gs+ C._gd

wo C_iss= Gatekapazität, C._gs= Gate-Source-Kapazität, C._gd= Gate-Drain-Kapazität

Obwohl es ziemlich einfach erscheint, diese Einheit zu messen und in den Datenblättern anzugeben, muss beachtet werden, dass der Begriff C._issist eigentlich keine echte Kapazität.

Es kann völlig falsch sein zu glauben, dass ein MOSFET lediglich durch eine an die Gatekapazität C angelegte Spannung eingeschaltet wird_iss'.

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, hat die Gate-Kapazität kurz vor dem Einschalten eines MOFET keine Ladung, sondern die Kapazität am Gate-Drain C._gdbesitzt eine negative Ladung, die beseitigt werden muss.

Diese beiden Kapazitäten sind nichtlinear und ihre Werte variieren stark, wenn die angelegten Spannungen variieren.

Daher ist es wichtig zu beachten, dass es die gespeicherten Ladungen des MOSFET sind, die seine Schalteigenschaften bestimmen, und nicht der Kapazitätswert für einen bestimmten Spannungspegel.

Da die beiden Kapazitätselemente C bilden_issSie haben unterschiedliche physikalische Eigenschaften und neigen dazu, mit unterschiedlichen Spannungspegeln aufgeladen zu werden, was erfordert, dass der Einschaltvorgang des MOSFET auch zwei Stufen durchläuft.

Die genaue Reihenfolge kann für ohmsche und induktive Anwendungen unterschiedlich sein. Da jedoch die meisten praktischen Lasten hochinduktiv sind, kann der Prozess wie in der folgenden Abbildung dargestellt simuliert werden:

Gate Charge Timing-Sequenz

Die Gate-Ladungszeitsteuerungssequenzen des MOSFET können aus dem folgenden Diagramm untersucht werden:

Es kann mit der folgenden Erklärung verstanden werden:

1. T0 - T1: C._gsGebühren von Null bis V._{GS (th)}... V._DSoder ich_DSmacht keine Änderungen durch.
2. T1-T2 beginnt der Strom im MOSFET als Reaktion auf die ansteigende Gate-Spannung von V anzusteigen_{GS (th)}bis zur Plateauspannung V._gp.
3. Hier steigt IDS an und erreicht einen Volllaststrom von 0 V, obwohl V._DSbleibt unberührt und konstant. Die zugehörige Ladung wird durch das Integral von C gebildet_gsvon 0 V bis V._gpund Q._gsin den Datenblättern angegeben.
4. T2 - T3: Beobachten Sie den flachen Bereich zwischen T2 und T3, Es heißt Miller-Plateau.
5. Vor dem Einschalten, C._gdlädt und hält bis zur Versorgungsspannung V._IM, bis ich_DSerreicht den Spitzenwert I (Last) bei T2.
6. Die Zeit zwischen Periode T2 und T3, die negative Ladung (V._IM- V._gp) wird in Bezug auf die Plateauspannung V in positive Ladung umgewandelt_gp.
7. Dies kann auch als Abfall der Drain-Spannung von V dargestellt werden_IMauf fast Null.
8. Die Ladung ist gleich um das C._gdIntegral von 0 bis V._im, die als Q gezeigt wird_gdin Datenblättern.
9. Während T3 - T4 steigt die Gate-Spannung von V an_gpzu V._GSund hier finden wir kaum eine Änderung für V._DSund ich_DS, aber die effektive R._{DS (ein)}fällt leicht ab, wenn die Gate-Spannung ansteigt. Bei einem Spannungspegel über V._gpbietet dem Hersteller genügend Vertrauen, um die Obergrenze für das effektive R festzulegen_{DS (ein)}.

Für induktive Lasten

Der Anstieg des Stroms im MOSFET-Kanal aufgrund einer induktiven Last muss abgeschlossen sein, bevor die Spannung abfällt.

Zu Beginn des Plateaus befindet sich der MOSFET im AUS-Zustand, wenn ein hoher Strom und eine hohe Spannung zwischen Drain und Source vorhanden sind.

Zwischen der Zeit T2 und T3 wird eine Ladung Q._gdwird an das Gate des MOSFET angelegt, wobei sich die MOSFET-Charakteristik am Ende vom Konstantstrom in den Konstantwiderstandsmodus umwandelt.

Wenn der obige Übergang auftritt, keine merkliche Änderung der Gate-Spannung V._gpstattfinden.

Dies ist der Grund, warum es niemals eine kluge Idee ist, einen MOSFET-Einschaltprozess mit einem bestimmten Pegel der Gate-Spannung in Beziehung zu setzen.

Gleiches kann für den Ausschaltvorgang gelten, bei dem die gleichen zwei Ladungen (wie zuvor erläutert) in entgegengesetzter Reihenfolge aus dem Gate des MOSFET entfernt werden müssen.

MOSFET-Schaltgeschwindigkeit

Während Q._gsplus Q._gdzusammen stellt sicher, dass der MOSFET vollständig eingeschaltet wird, es sagt uns nicht, wie schnell dies geschehen wird.

Wie schnell sich der Strom oder die Spannung umschaltet, hängt von der Rate ab, mit der die Ladungselemente am Gate angelegt oder entfernt werden. Dies wird auch als Gate-Ansteuerstrom bezeichnet.

Obwohl eine schnelle Anstiegs- und Abfallrate geringere Schaltverluste in MOSFETs gewährleistet, können diese auch zu Komplikationen auf Systemebene führen, die mit erhöhten Spitzenspannungen, Schwingungen und elektromagnetischen Störungen verbunden sind, insbesondere während der Ausschaltzeitpunkte der induktiven Last.

Die in der obigen Fig. 7 dargestellte linear abfallende Spannung schafft es, einen konstanten Wert von Cgd anzunehmen, was bei MOSFETs in praktischen Anwendungen kaum vorkommen kann.

Um genau zu sein, ist die Gate-Drain-Ladung C._gdFür einen Hochspannungs-Super-Junction-MOSFET wie SiHF35N60E zeigt sich eine signifikant hohe lineare Antwort, wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist:

Der Variationsbereich, der im Wert von C existiert_rss(umgekehrte Übertragung) beträgt mehr als 200: 1 innerhalb der anfänglichen 100 V. Aus diesem Grund ähnelt die tatsächliche Abfallzeit der Spannung gegenüber der Gate-Ladungskurve eher der in Abbildung 7 in roter Farbe dargestellten gestrichelten Linie.

Bei höheren Spannungen hängen die Anstiegs- und Abfallzeiten der Ladungen zusammen mit ihren äquivalenten dV / dt-Werten stärker vom Wert von C ab_rssanstelle des als Q angegebenen Integrals der gesamten Kurve_gd.

Wenn Benutzer MOSFET-Spezifikationen in verschiedenen Entwurfsumgebungen vergleichen möchten, sollten sie diesen MOSFET mit der Hälfte des Q erkennen_gdDer Wert weist nicht unbedingt eine doppelt so schnelle Schaltrate oder 50% weniger Schaltverluste auf.

Dies liegt daran, dass nach dem C._gdKurve und ihre Größe bei höheren Spannungen kann es durchaus möglich sein, dass ein MOSFET im Datenblatt eine niedrige Qgd aufweist, ohne jedoch die Schaltgeschwindigkeit zu erhöhen.

Zusammenfassen

In der tatsächlichen Implementierung erfolgt das Einschalten eines MOSFET durch eine Reihe von Prozessen und nicht mit einem vorbestimmten Parameter.

Schaltungsentwickler müssen aufhören, sich vorzustellen, dass V._{GS (th)}oder Spannungspegel könnten als Gate-Spannung zum Umschalten des MOSFET-Ausgangs von hoch auf niedrig R verwendet werden_{DS (ein)}.

Es kann sinnlos sein, über ein R nachzudenken_{DS (ein)}unterhalb oder oberhalb eines bestimmten Gate-Spannungspegels, da der Gate-Spannungspegel nicht wesentlich über das Einschalten eines MOSFET entscheidet. Eher sind es die Gebühren Q._gsund Q._gdin den MOSFET eingeführt, der den Job ausführt.

Möglicherweise steigt die Gate-Spannung über V._{GS (th)}und V._gpwährend des Lade- / Entladevorgangs sind diese aber nicht so wichtig.

Ebenso kann es eine komplexe Funktion von Q sein, wie schnell der heutige MOSFET ein- oder ausgeschaltet werden kann_gsoder Q._gd.

Zur Bewertung der Schaltgeschwindigkeiten von MOSFETs, insbesondere der fortschrittlichen MOSFETs, muss der Entwickler eine umfassende Studie bezüglich der Gate-Ladungskurve und der Kapazitätscharakteristik des Geräts durchführen.

Referenz: https://www.vishay.com/