Compreendendo o processo de ignição MOSFET

Um processo de inicialização MOSFET calculado corretamente garante que o dispositivo LIGUE com eficiência ideal.

Ao projetar circuitos baseados em MOSFET, você deve ter se perguntado qual é a maneira correta de ativar um MOSFET. Ou qual é a tensão mínima que precisa ser aplicada através da porta / fonte do dispositivo para ligá-lo perfeitamente?

Embora para muitos sistemas digitais isso possa não ser um problema, sistemas de 5V como DSP, FPGA e Arduinos exigem aumento de suas saídas para uma condição de comutação ideal para o MOSFET conectado.

E nessas situações, o designer começa a examinar as especificações do MOSFET para obter os dados de tensão limite. O designer supõe que o MOSFET seria ativado e mudaria de estado quando esse nível de limite fosse ultrapassado.

No entanto, isso pode não ser tão simples quanto parece.

O que é tensão limiar V?GS (th)


Primeiro, devemos perceber que a tensão limiar, denotada como VGS (th) Não é para os projetistas de circuitos se preocupar.

Para ser preciso, é a tensão do portão que faz com que a corrente de drenagem do MOSFET ultrapasse um nível limite de 250 μA, e isso é testado em condições que normalmente nunca ocorrem em aplicações práticas.

Durante algumas análises, uma constante de 5V é usada para os testes acima mencionados do dispositivo. Mas esse teste é normalmente implementado com o portão e o dreno do dispositivo conectados ou em curto. Você pode facilmente obter essas informações na folha de dados, para que não haja nada de misterioso nesse teste.

Limiares de MOSFET e condições de teste relevantes

A tabela acima indica os níveis de limite e as condições de teste relevantes para um exemplo de MOSFET.

Para uma aplicação desejada, o projetista pode estar preocupado com uma situação temida conhecida como tensão de porta “induzida”, o que pode ser um problema sério, por exemplo, em um MOSFET no lado inferior do conversor síncrono.

Como discutido acima, também devemos entender aqui que a passagem do limiar VGS (th) O nível pode não forçar o dispositivo a operar em uma condição de interrupção de trip. Na verdade, esse nível informa ao projetista sobre o limite no qual o MOSFET começa a LIGAR e não é uma situação em que as coisas terminam completamente.

Pode ser aconselhável que, enquanto o MOSFET estiver desligado, a tensão do portão seja mantida abaixo de VGS (th) nível, para evitar vazamento de corrente. Mas quando ativado, esse parâmetro pode ser simplesmente ignorado.

Transferência de curva característica


Você encontrará outro diagrama de curvas chamado características de transferência nas folhas de dados do MOSFET que explicam seu comportamento LIGADO em resposta ao aumento da tensão da porta.

Para ser mais preciso, isso pode estar mais relacionado à análise da variação de corrente em relação à tensão da porta e à temperatura da caixa do dispositivo. Nesta análise, o VDS Ele permanece em um nível fixo, mas alto, em torno de 15V, o que não pode ser divulgado nas especificações da folha de dados.

Curva característica de transferência MOSFET

Se nos referirmos à curva como mostrada acima, percebemos que, para uma corrente de dreno de 20 amperes, a tensão porta-fonte de 3,2 V pode não ser adequada.

A combinação resultaria em um VDS de 10V tipicamente com dissipação de 200 watts.

Os dados da curva de transferência podem ser úteis para MOSFETs operados na faixa linear; no entanto, os dados da curva podem ser menos importantes para os MOSFETs nas aplicações de comutação.

Características de saída

A curva que revela os dados reais relativos à condição totalmente LIGADA de um MOSFET é conhecida como curva de saída, como mostrado abaixo:

Características de saída do MOSFET

Aqui para os diferentes níveis de VGS A queda direta do MOSFET é medida em função da corrente. Os engenheiros de dispositivos usam esses dados da curva para confirmar o nível ideal de tensão do portão.

Para cada nível de tensão do portão que garante a ignição completa do MOSFET[R[R[R[RDS (ativado)], obtemos uma gama de quedas de tensão (VGS) pelo dreno até a fonte que tem uma resposta estritamente linear com a corrente de dreno. O intervalo começa de zero e acima.

Para tensões de porta mais baixas (VGS), quando a corrente de drenagem aumenta, descobrimos que a curva perde a resposta linear, se move pelo “joelho” e fica plana.


Os detalhes da curva anterior nos fornecem as características completas de saída para uma faixa de tensões de porta de 2,5 V a 3,6 V.

Os usuários do MOSFET normalmente podem considerar isso como a função linear. No entanto, por outro lado, os engenheiros de dispositivos podem preferir prestar mais atenção à região cinza do gráfico, que sugere a região de saturação atual para a tensão aplicada na porta.

Revela dados atuais que tocaram no ponto ou limite de saturação. Neste ponto, se o VDS Esse aumento resultará em um aumento marginal na corrente, mas um pequeno aumento na corrente de drenagem pode levar a um V muito maiorDS.

Para aumentar os níveis de tensão do portão, que permitem que o MOSFET seja LIGADO completamente, a área sombreada em verde nos mostrará o ponto de operação do processo, indicado como a região resistiva (ou Ohmic).

Observe que as curvas aqui mostram apenas valores típicos e não incluem limites mínimos ou máximos.

Ao operar em temperaturas ambiente mais baixas, o dispositivo precisará de uma tensão de porta mais alta para permanecer na região resistiva, que pode subir a uma taxa de 0,3% / ° C.

O que é o MOSFET RDS?

Quando os engenheiros de dispositivos precisam encontrar as características de saída do MOSFET, eles querem essencialmente aprender sobre o RDS (ativado) do dispositivo com referência às condições operacionais específicas.

Em geral, isso pode ser uma mistura de VGS e euDS através da área em que a curva se desvia da linha reta para a parte indicada pelo tom de cinza.

Considerando o exemplo discutido acima, uma tensão de porta de 3,1 V com uma corrente inicial de 10 amperes, os engenheiros saberão que o RDS (ativado) tenderá a ser maior que o valor estimado. Com isso dito, esperamos que o fabricante do MOSFET forneça dados aproximados sobre isso?

Com ambas as quantidades VDS e euDS facilmente obtida na curva, pode se tornar muito atraente e frequentemente entregue para dividir as duas quantidades no R resultanteDS (ativado).

No entanto, infelizmente não temos um RDS (ativado) para avaliação aqui. Parece não estar disponível para as situações mencionadas, uma vez que, para qualquer seção da linha de carga que represente uma resistência, ela deve atravessar a origem de maneira linear.

Dito isto, pode ser possível simular a linha de carga de forma agregada como um resistor não linear.

No mínimo, isso garantirá que qualquer compreensão do trabalho prático seja mantida na origem (0, 0).

Características da curva de carga da porta

São os dados da curva de carga do portão que realmente nos dão uma pista real das especificações de MOSFET IGNITION, como mostrado na figura abaixo:

Características da curva de carga da porta

Embora a curva acima seja uma inclusão padrão em todas as folhas de dados do MOSFET, o usuário do MOSFET raramente entende as indicações subjacentes.

Além disso, o avanço moderno nos projetos de MOSFET, como valas e portas de proteção, exige o endereçamento revisado dos dados.

Por exemplo, a especificação chamada “gate-charge” pode parecer um pouco enganadora em si mesma.

Seções lineares e divididas da curva não aparecem como a tensão que um capacitor carrega, independentemente do valor não linear que ele possa exibir.

Para ser mais preciso, a curva de carga da porta significa dados associados de dois capacitores não paralelos, que têm magnitudes diferentes e carregam níveis de tensão diferentes.

Em teoria, a capacitância funcional observada no terminal da porta MOSFET é definida com a equação:

Ciss = Cgs + CDeus

Ondeiss = capacitância da porta, Cgs = capacitância da fonte de porta, CDeus = capacitância de dreno do portão

Embora possa parecer bastante simples medir esta unidade e especificá-la nas folhas de dados, deve-se notar que o termo Ciss não é realmente uma capacitância real.

Pode ser completamente incorreto pensar que um MOSFET simplesmente LIGUE através de uma tensão aplicada à “capacitância do gate Ciss

Diagrama de descarga de carga de capacitância de porta

Conforme indicado na figura acima, logo antes de um MOFET ligar, a capacitância do portão não é carregada, mas a capacitância no dreno do portão CDeus tem uma carga negativa que deve ser removida.

Ambas as capacitâncias são de natureza não linear e seus valores variam muito conforme as tensões aplicadas.

Portanto, é importante observar que são as cargas armazenadas do MOSFET que determinam suas características de comutação, e não o valor da capacitância para um nível de tensão específico.

Como os dois elementos de capacitância que compõem Ciss eles têm atributos físicos diferentes, tendem a ser carregados em diferentes níveis de tensão, exigindo que o processo MOSFET SWITCHING também passe por dois estágios.

A sequência precisa pode ser diferente para aplicações resistivas e indutivas, mas normalmente as cargas mais práticas são altamente indutivas, o processo pode ser simulado conforme mostrado na figura a seguir:

Resposta de ignição MOSFET para carregamento indutivo

Sequência de sincronização da carga da porta

As seqüências de tempo de carregamento da porta MOSFET podem ser estudadas a partir do seguinte diagrama:

Revestimento de porta

Pode ser entendido com a seguinte explicação:

  1. T0 – T1: Cgs carrega de zero a VGS (th). VDS ou euDS não passa por nenhuma alteração.
  2. T1-T2, a corrente começa a subir no MOSFET em resposta ao aumento da tensão do portão de VGS (th) até a tensão de platô Vgp.
  3. Aqui, o IDS aumenta e atinge a corrente de carga completa de 0 V, embora VDS permanece inalterado e constante. A carga associada é formada através da integral de Cgs 0 V a Vgpe quegs dados nas folhas de dados.
  4. T2 – T3: veja a região plana entre T2 e T3, É chamado de Miller Plateau.
  5. Antes da ignição, CDeus carrega e suporta a tensão de alimentação VNO, até euDS atinge o valor de pico I (carga) em T2.
  6. O tempo entre o período T2 e T3, a carga negativa (VNO – Vgp) torna-se carga positiva em relação à tensão de platô Vgp.
  7. Isso também pode ser visualizado como a queda de tensão de dreno de VNO quase zero.
  8. A carga envolvida é igual a cerca de CDeus integral de 0 a Vno, mostrado como QDeus em folhas de dados.
  9. Durante T3 – T4, a tensão do portão aumenta de Vgp para VGS, e aqui não encontramos quase nenhuma alteração para VDS e euDS, mas o R efetivoDS (ativado) cai ligeiramente à medida que a tensão do portão aumenta. A um certo nível de tensão acima de Vgpfornece aos fabricantes confiança suficiente para definir o limite superior do valor efetivo de RDS (ativado).

Para cargas indutivas

O aumento de corrente no canal MOSFET devido a uma carga indutiva deve ser concluído antes que a tensão comece a cair.

No início do platô, o MOSFET está no estado OFF, na presença de alta corrente e tensão através do dreno até a fonte.

Entre o tempo T2 e T3, uma taxa QDeus é aplicada à porta MOSFET, onde a característica MOSFET é transformada de corrente constante em resistência constante no final.

Quando a transição acima ocorre, não há alteração perceptível na tensão do portão Vgp tem lugar.

É por isso que nunca é uma boa idéia relacionar um processo de MOSFET IGNITION a um nível específico de tensão de porta.

O mesmo pode ocorrer no processo de desligamento, que exige que as mesmas duas cargas (discutidas acima) sejam removidas da porta do MOSFET na ordem oposta.

Velocidade de comutação MOSFET

Enquanto Qgs mais QDeus Juntos, eles garantem que o MOSFET LIGUE completamente, não nos diz com que rapidez isso acontecerá.

A taxa na qual a corrente ou a tensão mudará é decidida pela taxa na qual os elementos de carga são aplicados ou removidos no portão. Isso também é chamado de corrente do acionamento do portão.

Embora uma taxa de subida e descida rápida garanta menores perdas de comutação nos MOSFETs, elas também podem levar a complicações no nível do sistema relacionadas ao aumento de tensões de pico, oscilações e interferência eletromagnética, especialmente durante os desligamento por carga indutiva.

A tensão de queda linear representada na Fig. 7 acima atinge um valor constante de Cgd, o que dificilmente pode acontecer com os MOSFETs em aplicações práticas.

Para ser mais preciso, a carga de drenagem do portão CDeus para um MOSFET de super junção de alta tensão como SiHF35N60E, ele exibe uma resposta linear significativamente alta, como pode ser visto na figura abaixo:

Velocidade de comutação MOSFET

O intervalo de variação que existe no valor de Crss (transferência reversa) é superior a 200: 1 dentro dos 100 V. iniciais. Por esse motivo, o tempo real de queda de tensão contra a curva de carga do portão é mais parecido com a linha tracejada mostrada em vermelho no figura 7.

Em tensões mais altas, os tempos de subida e descida das cargas, juntamente com seus valores equivalentes em dV / dt, dependem mais do valor de Crss, em vez da integral de toda a curva indicada como QDeus.

Quando os usuários desejam comparar as especificações do MOSFET em diferentes ambientes de design, eles devem perceber que o MOSFET com metade do QDeus o valor não terá necessariamente o dobro da velocidade de comutação ou 50% menos perda de comutação

Isso ocorre porque, de acordo com CDeus curva e sua magnitude em tensões mais altas, é bem possível que um MOSFET tenha um Qgd baixo na folha de dados, mas sem nenhum aumento na velocidade de comutação.

resumindo

Na implementação real, a ativação de um MOSFET ocorre através de uma série de processos, e não com um parâmetro padrão.

Os projetistas de circuitos devem parar de imaginar que VGS (th), ou níveis de tensão, como tensão de porta, podem ser usados ​​para alterar a saída do MOSFET de alto para baixo RDS (ativado).

Pode ser inútil pensar em ter um RDS (ativado) abaixo ou acima de um nível de tensão de porta específico, pois o nível de tensão de porta não decide intrinsecamente ativar um MOSFET. Em vez disso, são encargos Qgs e queDeus inserido no MOSFET que executa o trabalho.

Você pode descobrir que a tensão do portão aumenta acima de VGS (th) e Vgp durante o processo de upload / download, mas isso não é importante.

Da mesma forma, a rapidez com que o MOSFET de hoje pode ser ativado ou desativado pode ser uma função complexa do Qgs ou QDeus.

Para avaliar as velocidades de comutação de MOSFET, especialmente MOSFETs avançados, o projetista deve realizar um estudo minucioso da curva de carga da porta e das características de capacitância do dispositivo.

Referência: https://www.vishay.com/



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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