Gatekapazität vs. Gateladung in n-Kanal-FETs und Berechnung der Verlustleistung beim Laden / Entladen des Gates

Ich verwende einen MOSFET-Treiber ( TC4427A ), der eine Gate-Kapazität von 1 nF in ca. 30 ns aufladen kann.

Der von mir verwendete duale N- Kanal -MOSFET (Si4946EY) hat eine Gateladung von 30 nC (max) pro Fet. Ich überlege mir vorerst nur einen, da beide auf dem Würfel identisch sind. Ich fahre das Tor auf 5V. (Es ist ein Logik-Level-Fet.)

Bedeutet dies, dass ich Q = CV anwenden kann, um die Kapazität zu berechnen? C = 30 nC / 5 V = 6 nF. So kann mein Fahrer das Tor in ca. 180 ns voll einschalten.

Ist meine Logik richtig?

Der Gatewiderstand des MOSFET ist mit max. von 3,6 Ohm. Wird dies Auswirkungen auf die obigen Berechnungen haben? Der Treiber hat einen 9 Ohm Widerstand.

Gibt es einen signifikanten Unterschied, wenn das Tor entladen statt aufgeladen wird? (Den Fet ausschalten.)

Als Nebenfrage, während der 180er ist der Fet nicht voll eingeschaltet. Rds (nicht ganz EIN) ist also ziemlich hoch. Wie kann ich berechnen, wie viel Verlustleistung in dieser Zeit anfällt?

Wie Endolith sagt, muss man sich die Bedingungen für Parameter ansehen. Die 30nC sind ein Maximalwert für = 10V. Die Grafik auf Seite 3 des Datenblatt sagt typischerweise 10nC @ 5V, dann C = 10 n $V_{GS}$ = 2 nF. Ein weiteres Diagramm auf Seite 3 gibt einen Wert von 1nF fürCISS an. Die Diskrepanz besteht darin, dass die Kapazität nicht konstant ist (deshalb geben sie einen Ladungswert an). $\frac{10nC}{5V}$$C_{ISS}$

Der Gate-Widerstand wird in der Tat einen Einfluss haben. Die Zeitkonstante des Gates beträgt (9 + 3,6 Ω ) × 2nF = 25 ns anstelle von 9 Ω × 2nF = 18 ns.$\Omega$$\Omega$$\times$$\Omega \times$

Theoretisch gibt es einen kleinen Unterschied zwischen Ein- und Ausschalten, da Sie beim Ausschalten von einer höheren Temperatur ausgehen. Wenn jedoch die Zeit zwischen dem Ein- und Ausschalten gering ist (viel Zeitspanne, wir sprechen hier von zehn Sekunden), ist die Temperatur konstant, und die Kennlinie ist mehr oder weniger symmetrisch.

$V_{GS}$$V_{DS}$$I_D$$V_{DS}$

Die Spezifikation im Datenblatt sagt V _GS = 10 V, also nein. Es wäre C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Dies ist jedoch ein absolutes Maximum.

Anstelle eines einzigen Kapazitätswert, spec sie die Kapazität als Grafik auf Seite 3. Die Bedeutung von c _iss c _rss und c _oss finden sich in diesem Dokument Abbildung 5. Ich glaube , Sie am meisten c kümmern _iss , die etwa 900 pF nach der Tabelle.

Unter Bezugnahme auf diese Fairchild-App-Anmerkung zur MOSFET-Umschaltung , diese Infineon-Anmerkung zur Leistungszahl , diese IR-Anmerkung und meine eigenen Erfahrungen:

$Q_g$

• $Q_{gs}$
• $Q_{gd}$

$C_{iss}$

$Q_{gs}$$I_D$$V_{DS}$$Q_{gd}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

Der MOSFET-Gatewiderstand wird mit dem externen Widerstand addiert, den Sie zur Bestimmung des Ladestroms benötigen. In Ihrem Fall wird die aktuelle Kapazität Ihres Treibers nicht ausgeschöpft, da Sie nur mit 5 V aufladen.

Das Entladen des Gatters ist insofern relativ identisch mit dem Laden, als die Schwellen gleich bleiben. Wenn die Einschaltdauer 4 V beträgt und Sie auf 5 V aufladen, können Sie sich vorstellen, dass die Einschaltdauer gegenüber der Ausschaltdauer eine geringe Asymmetrie aufweist, da Sie nur 1 V entladen, um die Abschaltung zu erreichen 4V zum Einschalten.

Wie aus dem früheren Kommentar hervorgeht, sind Netzwerke von Widerständen und Dioden in MOSFET-Treiberschaltungen häufig zu sehen, um die Lade- und Abschaltströme maßzuschneidern.

Verlustleistung beim Ein- und Ausschalten

Man könnte meinen, dass der Transistor während dieser Übergänge heißer wird, was mit den internen Spannungen, Strömen und Kapazitäten des Transistors zu tun hat.

In der Praxis sind die internen Details des Schalters irrelevant, solange Sie einen Schalter ausreichend schnell ein- oder ausschalten. Wenn Sie den Schalter vollständig aus dem Stromkreis ziehen, hat das andere Material im Stromkreis zwangsläufig eine parasitäre Kapazität C zwischen den beiden Knoten, die der Schalter ein- und ausschaltet. Wenn Sie einen Schalter in diesen Stromkreis einstecken, lädt sich diese Kapazität bei ausgeschaltetem Stromkreis auf eine Spannung V auf und speichert CV ^ 2/2 Watt Energie.

Egal um welche Art von Schalter es sich handelt, wenn Sie den Schalter einschalten, werden alle CV ^ 2/2 Watt Energie in diesem Schalter verbraucht. (Wenn es sehr langsam schaltet, wird möglicherweise noch mehr Energie in diesem Schalter verbraucht).

Um die Energie zu berechnen, die in Ihrem Mosfet-Schalter verbraucht wird, ermitteln Sie die gesamte externe Kapazität C, an die er angeschlossen ist (wahrscheinlich größtenteils parasitär), und die Spannung V, bis zu der sich die Klemmen des Schalters aufladen, bevor der Schalter einschaltet. Die Energie, die in irgendeiner Art von Schalter verbraucht wird, ist

• E_turn_on = CV / 2

bei jedem Einschalten.

Die Energie, die in den Widerständen verbraucht wird, die das Gate Ihres FET antreiben

• E_gate = Q_g V

woher

• V = der Gatespannungshub (nach Ihrer Beschreibung sind es 5 V)
• Q_g = die Ladungsmenge, die Sie durch den Gate-Pin drücken, um den Transistor ein- oder auszuschalten (laut FET-Datenblatt sind es etwa 10 nC bei 5 V)

Dieselbe E_gate-Energie wird während des Einschaltens und erneut während des Ausschaltens verbraucht.

Einige dieser E_gate Energie wird in dem Transistor abgeführt wird , und ein Teil davon wird in dem FET - Treiber - Chip abgeführt - ich in der Regel eine pessimistische Analyse verwendet, übernimmt alle diese Energie wird in dem Transistor abgeführt, und auch alle von dieser Energie wird abgeführt im FET-Treiber.

Wenn sich Ihr Schalter ausreichend schnell ausschaltet, ist die Energie, die beim Ausschalten verbraucht wird, im Vergleich zu der Energie, die beim Einschalten verbraucht wird, in der Regel unbedeutend. Sie könnten eine Worst-Case-Schranke (für hochinduktive Lasten) von platzieren

• E_turn_off = IVt (schlimmster Fall)

woher

• Ich bin der Strom durch den Schalter kurz vor dem Ausschalten,
• V ist die Spannung am Schalter unmittelbar nach dem Ausschalten und
• t ist die Umschaltzeit von Ein nach Aus.

Dann wird die Leistung im Fet abgebaut

• P = P_Schalten + P_Ein

woher

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * Schaltfrequenz
• Die Schaltfrequenz gibt an, wie oft pro Sekunde der Switch getaktet wird
• P_on = IRd = Verlustleistung bei eingeschaltetem Schalter
• Ich bin der durchschnittliche Strom, wenn der Schalter eingeschaltet ist,
• R ist der Einschaltwiderstand des FET und
• d ist der Bruchteil der Zeit, in der der Schalter eingeschaltet ist (verwenden Sie d = 0,999 für Worst-Case-Schätzungen).

Viele H-Brücken nutzen die (normalerweise unerwünschte) Body-Diode als Rücklaufdiode, um den induktiven Rücklaufstrom abzufangen. Wenn Sie dies tun (anstatt externe Schottky-Catch-Dioden zu verwenden), müssen Sie auch die in dieser Diode verbrauchte Leistung hinzufügen.