Понимание процесса включения MOSFET

Правильно рассчитанный процесс включения MOSFET гарантирует включение устройства с оптимальной эффективностью.

При разработке схем на основе полевого МОП-транзистора вы, возможно, задавались вопросом, как правильно включить полевой МОП-транзистор? Или просто какое минимальное напряжение должно быть приложено к затвору / истоку устройства, чтобы полностью его включить?

Хотя для многих цифровых систем это может не быть проблемой, системы с напряжением 5 В, такие как DSP, FPGA и Arduinos, требуют увеличение их производительности для оптимального переключения подключенного полевого МОП-транзистора.

И в этих ситуациях разработчик начинает изучать характеристики полевого МОП-транзистора, чтобы получить данные о пороговом напряжении. Разработчик предполагает, что полевой МОП-транзистор включится и изменит состояние при пересечении этого порогового уровня.

Однако это может быть не так просто, как может показаться.

Что такое пороговое напряжение V_{GS (th)}

Прежде всего мы должны понять, что пороговое напряжение, обозначенное как V_{GS (th)}не о чем беспокоиться проектировщикам схем.

Чтобы быть точным, именно напряжение затвора заставляет ток стока полевого МОП-транзистора пересекать пороговый уровень 250 мкА, и это проверяется в условиях, которые обычно никогда не выполняются в практических приложениях.

Во время определенного анализа для вышеупомянутого тестирования устройства используется постоянное напряжение 5 В. Но этот тест обычно выполняется с затвором и стоком устройства, соединенными или закороченными друг с другом. Вы можете легко получить эту информацию в самом техническом описании, так что в этом тесте нет ничего загадочного.

В таблице выше указаны пороговые уровни и соответствующие условия испытаний для примера MOSFET.

Для желаемого приложения разработчик может быть обеспокоен опасной ситуацией, известной как `` индуцированное '' напряжение затвора, которое может быть серьезной проблемой, например, в полевом МОП-транзисторе нижнего уровня. синхронный понижающий преобразователь .

Как обсуждалось ранее, здесь мы также должны понимать, что переход через порог V_{GS (th)}уровень не может привести к переходу устройства в состояние пробоя. Этот уровень фактически сообщает разработчику о пороговом значении, при котором MOSFET только начинает включаться, а не в ситуации, когда все просто заканчивается.

Может быть целесообразно, чтобы пока полевой МОП-транзистор находился в выключенном состоянии, напряжение затвора поддерживалось ниже V_{GS (th)}уровень, чтобы предотвратить утечку тока. Но при включении этот параметр можно просто игнорировать.

Кривая передачи характеристики

Вы найдете другую диаграмму кривой под названием передаточные характеристики в таблицах данных MOSFET, объясняющих его поведение при включении в ответ на увеличение напряжения затвора.

Если быть точным, это может быть больше связано с анализом изменения тока в зависимости от напряжения затвора и температуры корпуса устройства. В этом анализе V_DSудерживается на фиксированном уровне, но на высоком уровне, около 15 В, который может не быть указан в технических характеристиках.

Если мы обратимся к кривой, показанной выше, мы поймем, что для тока стока 20 ампер напряжение затвор-исток 3,2 В может быть недостаточным.

Комбинация приведет к VDS 10 В, как правило, с рассеиваемой мощностью 200 Вт.

Данные кривой передачи могут быть полезны для полевых МОП-транзисторов, работающих в линейном диапазоне, однако данные кривой могут иметь меньшее значение для полевых МОП-транзисторов в коммутационных приложениях.

Выходные характеристики

Кривая, которая показывает фактические данные о состоянии полного включения полевого МОП-транзистора, известна как выходная кривая, как показано ниже:

Здесь для различных уровней V_GSпрямое падение напряжения на полевом МОП-транзисторе измеряется как функция тока. Инженеры по устройствам используют данные этой кривой для подтверждения оптимального уровня напряжения затвора.

Для каждого уровня напряжения затвора, обеспечивающего полное включение полевого МОП-транзистора [R_{DS (вкл.)}], получаем диапазон падений напряжения (В_GS) через сток-исток, имея строго линейную характеристику с током стока. Диапазон начинается от нуля и выше.

Для более низких напряжений затвора (В_GS), когда ток стока увеличивается, мы обнаруживаем, что кривая теряет линейный отклик, проходит через «колено» и затем становится плоской.

Приведенные выше данные кривой предоставляют нам полные выходные характеристики для диапазона напряжений затвора от 2,5 В до 3,6 В.

Пользователи MOSFET обычно могут рассматривать это как линейную функцию. Однако, напротив, инженеры устройств могут предпочесть уделять больше внимания серой области графика, которая указывает на область насыщения тока для приложенного напряжения затвора.

Он показывает текущие данные, которые достигли точки насыщения или предела насыщенности. На этом этапе, если V_DSувеличение приведет к незначительному увеличению тока, но небольшое увеличение тока стока может привести к гораздо большему V_DS.

Для повышенных уровней напряжения затвора, которые позволяют полному МОП-транзистору полностью включиться, зеленая заштрихованная область покажет нам рабочую точку процесса, обозначенную как резистивная (или омическая) область.

Обратите внимание, что кривые здесь показывают только типичные значения и не включают никаких минимальных или максимальных границ.

При работе при более низких температурах окружающей среды устройству потребуется более высокое напряжение затвора, чтобы оставаться в резистивной области, которое может повышаться со скоростью 0,3% / ° C.

Что такое MOSFET RDS (включено)

Когда разработчикам устройств приходится сталкиваться с выходными характеристиками полевого МОП-транзистора, они, по сути, захотят узнать о R_{DS (вкл.)}устройства с учетом конкретных условий эксплуатации.

Как правило, это может быть смесь V_GSи я_DSчерез область, где кривая отклоняется от прямой линии, в участок, обозначенный серым оттенком.

Рассматривая рассмотренный выше пример, напряжение затвора 3,1 В при начальном токе 10 Ампер, инженеры будут знать, что R_{DS (вкл.)}будет, как правило, превышать расчетное значение. Сказав это, ожидаем ли мы, что производитель MOSFET предоставит приблизительные данные по этому поводу?

С обеими величинами V_DSи я_DSлегко достижимый на кривой, это может стать слишком заманчивым и часто уступающим место, чтобы разделить две величины в результирующем R_{DS (вкл.)}.

Однако, к сожалению, у нас нет R_{DS (вкл.)}для оценки здесь. Кажется, что он недоступен для указанных ситуаций, поскольку для любого раздела линия нагрузки представляющее сопротивление должно линейно пересечь начало координат.

Тем не менее, можно смоделировать линию нагрузки в агрегированной форме, например, нелинейное сопротивление.

Как минимум, это гарантирует, что любое понимание практической работы поддерживается в исходной точке (0, 0).

Характеристики кривой заряда затвора

Это данные кривой заряда затвора, которые на самом деле дают нам реальную подсказку относительно характеристик включения полевого МОП-транзистора, как показано на рисунке ниже. :

Хотя приведенная выше кривая является стандартным включением во все таблицы данных MOSFET, основные показания редко понимаются пользователем MOSFET.

Более того, современные достижения в компоновке полевых МОП-транзисторов, такие как траншеи и экранированные ворота, требуют пересмотра адресации данных.

Например, спецификация с названием «gate-charge» сама по себе может показаться немного вводящей в заблуждение.

Линейные и разделенные участки кривой не похожи на напряжение, заряжающее конденсатор, независимо от того, насколько нелинейным оно может быть.

Чтобы быть точным, кривая заряда затвора означает связанные данные двух непараллельных конденсаторов, имеющих разные величины и несущие разные уровни напряжения.

Теоретически функциональная емкость, как видно на выводе затвора полевого МОП-транзистора, определяется уравнением:

C_мкс= C_GS+ C_б-г

где C_мкс= емкость затвора, C_GS= емкость затвора истока, C_б-г= емкость затвора и стока

Хотя может показаться довольно простым измерить эту единицу и указать ее в таблицах данных, следует отметить, что термин C_мксна самом деле не настоящая емкость.

Может быть совершенно неправильно думать, что полевой МОП-транзистор включается просто посредством напряжения, приложенного к емкости затвора C_мкс'.

Как показано на приведенном выше рисунке, непосредственно перед включением полевого транзистора емкость затвора не имеет заряда, но емкость затвор-сток C_б-гобладает отрицательным зарядом, который необходимо устранить.

Обе эти емкости имеют нелинейный характер, и их значения в значительной степени изменяются при изменении приложенного напряжения.

Следовательно, важно отметить, что именно накопленные заряды полевого МОП-транзистора определяют его характеристики переключения, а не значение емкости для определенного уровня напряжения.

Поскольку два элемента емкости, составляющие C_мксимеют разные физические характеристики, они, как правило, заряжаются разными уровнями напряжения, что требует, чтобы процесс включения полевого МОП-транзистора также прошел через два этапа.

Точная последовательность может отличаться для резистивных и индуктивных приложений, но, как правило, большинство практических нагрузок имеют высокую индуктивность, поэтому процесс можно смоделировать, как показано на следующем рисунке:

Временная последовательность стробирования

Последовательность синхронизации заряда затвора полевого МОП-транзистора можно изучить на диаграмме ниже:

Это можно понять следующим образом:

1. Т0 - Т1: С_GSзаряжается от нуля до V_{GS (th)}. V_DSили я_DSне претерпевает никаких изменений.
2. T1-T2, ток в полевом МОП-транзисторе начинает расти в ответ на увеличение напряжения затвора с V_{GS (th)}до плато напряжение V_GP.
3. Здесь IDS увеличивается и достигает тока полной нагрузки от 0 В, хотя V_DSостается неизменным и постоянным. Связанный заряд образуется через интеграл от C_GSот 0 В до В_GP, а Q_GSприведено в таблицах данных.
4. T2 - T3: обратите внимание на плоскую область между T2 и T3, это называется плато Миллера.
5. Перед включением C_б-гзаряжается и выдерживает напряжение питания V_В, пока я_DSдостигает пикового значения I (нагрузка) при T2.
6. Время между периодом T2 и T3, отрицательный заряд (V_В- V_GP) преобразуется в положительный заряд по отношению к напряжению плато V_GP.
7. Это также можно представить как падение напряжения стока с V_Впочти до нуля.
8. Используемый заряд равен примерно C_б-гинтеграл от 0 до V_в, который обозначен как Q_б-гв даташитах.
9. Во время T3 - T4 напряжение на затворе поднимается с V_GPк V_GS, и здесь мы почти не находим изменений для V_DSи я_DS, но эффективный R_{DS (вкл.)}немного падает при повышении напряжения затвора. На некотором уровне напряжения выше V_GP, дает производителям достаточно уверенности, чтобы установить верхний предел эффективного R_{DS (вкл.)}.

Для индуктивных нагрузок

Повышение тока в канале MOSFET из-за индуктивной нагрузки должно быть завершено до того, как напряжение начнет падать.

В начале плато полевой МОП-транзистор находится в выключенном состоянии при наличии высокого тока и напряжения между стоком и истоком.

Между моментами времени T2 и T3 заряд Q_б-гприменяется к затвору полевого МОП-транзистора, при этом характеристика полевого МОП-транзистора в конце преобразуется из режима постоянного тока в режим постоянного сопротивления.

Когда происходит вышеуказанный переход, нет заметного изменения напряжения затвора V_GPпроисходит.

По этой причине никогда не стоит связывать процесс включения полевого МОП-транзистора с каким-либо конкретным уровнем напряжения затвора.

То же самое может быть справедливо и для процесса выключения, который требует удаления тех же двух зарядов (обсужденных ранее) из затвора полевого МОП-транзистора в обратном порядке.

Скорость переключения MOSFET

Хотя Q_GSплюс Q_б-гвместе гарантирует, что MOSFET полностью включится, но не говорит нам о том, как быстро это произойдет.

Скорость переключения тока или напряжения определяется скоростью, с которой элементы заряда на затворе прикладываются или удаляются. Это также называется током возбуждения затвора.

Хотя быстрая скорость нарастания и спада обеспечивает более низкие коммутационные потери в полевых МОП-транзисторах, это также может вызвать сложности на системном уровне, связанные с повышенными пиковыми напряжениями, колебаниями и электромагнитными помехами, особенно в моменты выключения индуктивной нагрузки.

Линейно падающему напряжению, изображенному на приведенном выше рисунке 7, удается принять постоянное значение Cgd, что вряд ли может случиться с полевыми МОП-транзисторами в практических приложениях.

Если быть точным, заряд затвор-сток C_б-гдля высоковольтного полевого МОП-транзистора с суперпереходом, такого как SiHF35N60E, наблюдается значительно высокий линейный отклик, как видно на следующем рисунке:

Диапазон изменения, существующий в значении C_rss(обратный перенос) составляет более 200: 1 в пределах начальных 100 В. Из-за этого фактическое время спада напряжения относительно кривой заряда затвора больше похоже на пунктирную линию, показанную красным цветом на рисунке 7.

При более высоких напряжениях время нарастания и спада зарядов, а также их эквивалентные значения dV / dt больше зависят от значения C_rss, вместо интеграла от всей кривой, обозначенного как Q_б-г.

Когда пользователи хотят сравнить характеристики MOSFET в различных средах проектирования, они должны понимать, что MOSFET с половиной Q_б-гзначение не обязательно будет иметь в два раза более высокую скорость переключения или на 50% меньше коммутационных потерь.

Это потому, что, согласно C_б-гкривой и ее величине при более высоких напряжениях, для полевого МОП-транзистора может быть вполне возможно иметь низкий Qgd в таблице данных, но без какого-либо увеличения скорости переключения.

Подводя итоги

В реальной реализации включение полевого МОП-транзистора происходит через серию процессов, а не с заранее определенным параметром.

Разработчики схем должны перестать воображать, что V_{GS (th)}, или уровни напряжения могут использоваться в качестве напряжения затвора для переключения выхода MOSFET с высокого на низкий R_{DS (вкл.)}.

Возможно, бесполезно думать о R_{DS (вкл.)}ниже или выше определенного уровня напряжения затвора, поскольку уровень напряжения затвора по сути не определяет включение полевого МОП-транзистора. Скорее это обвинения Q_GSи Q_б-гвведены в MOSFET, который выполняет задание.

Вы можете обнаружить, что напряжение на затворе поднимается выше V_{GS (th)}и V_GPво время процесса заряда / разряда, но это не так важно.

Точно так же, как быстро сегодня МОП-транзистор может включаться или выключаться, может быть сложной функцией Q_GSили Q_б-г.

Для оценки скоростей переключения полевых МОП-транзисторов, особенно передовых полевых МОП-транзисторов, разработчик должен провести всестороннее исследование кривой заряда затвора и емкостной характеристики устройства.

Ссылка: https://www.vishay.com/