Bestimmen Sie die Schaltgeschwindigkeit des MOSFET

11

Wie kann ich die Schaltgeschwindigkeit eines MOSFET mit gegebenem Qg (Gate-Ladung), Vgs (GS-Sperrschichtspannung) und Gate-Widerstand bestimmen? Wie soll ich den erforderlichen Wert des Gate-Widerstands ermitteln?

Dor
quelle

Antworten:

11

Aus Sicht der Ansteuerschaltung sieht das Gate für die Quelle wie ein Kondensator aus. Es hat tatsächlich auch eine gewisse Kapazität zum Drain, aber dies wurde in der Gesamtzahl der Gate-Ladungen berücksichtigt. Sie kennen die Spannung, die das Gate ändern muss, und die Ladung, die übertragen werden muss, um dies zu erreichen. Von dort aus ist es einfach, die äquivalente Kapazität zu berechnen: Farads = Couloumbs / Volt. Sobald Sie die Kapazität haben, gibt Ihnen die R * C-Zeitkonstante eine Vorstellung davon, wie schnell sich das Gate bei einem Stufeneingang auf der anderen Seite des Gate-Widerstands dreht. Um beispielsweise 90% der endgültigen Gate-Spannung zu erreichen, sind 2,3 Zeitkonstanten erforderlich.

Wenn der FET tatsächlich "schaltet", ist dies schwieriger. Der FET geht bei einer bestimmten Gate-Spannung nicht plötzlich von voll aus auf voll ein, aber es gibt eine Gate-Spannung, bei der eine kleine inkrementelle Änderung den größten Unterschied in der FET-Ausgangskennlinie bewirkt. Sie müssen entscheiden, wie voll ein und wie voll aus "Schalten" wirklich bedeutet, und dann entscheiden, welchen Gate-Spannungsbereich dies darstellt. Anschließend können Sie anhand des entsprechenden RC-Modells entscheiden, wie schnell eine Stufeneingabe dazu führt, dass sie sich über diesen Bereich bewegt. Wenn Sie beispielsweise entscheiden, dass der größte Teil der Umschaltung zwischen 20% und 80% der Gate-Spannung erfolgt, sind dies 1,4 Zeitkonstanten.

Olin Lathrop
quelle
Super Antwort, danke. Warum sollte man keinen Gate-Widerstand mit null Widerstand verwenden?
Dor
1
Olin: Das ist nicht ganz richtig. Die Gatekapazität ändert sich nichtlinear mit der Spannung und ist sehr schwer zu berechnen.
Jason S
3
@ Jason: Ja, die tatsächliche Kapazität variiert je nach den Bedingungen, aber der Hersteller teilt Ihnen den schlimmsten Fall mit. Ich hätte das klarer machen sollen.
Olin Lathrop
10

Der Großteil der Schaltaktion findet statt, wenn die Gate-Spannung bei der Schwellenspannung Vgsth ein Plateau erreicht. An diesem Punkt fällt die Drain-Spannung schnell ab und der sogenannte Miller-Effekt hält die Schwelle dort, bis der Drain sein Minimum erreicht:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(von http://www.ti.com/lit/ml/slup097/slup097.pdf )

Nehmen wir als praktisches Beispiel an, Sie haben einen IRL540N , den Sie mit einer 5-V-Quelle mit einem Serienwiderstand von 100 Ohm betreiben .

Die Gate-Schwelle liegt zwischen 1 und 2 V. Dies bedeutet, dass der Gate-Ladestrom 30-40 mA betragen würde. Die gesamte Gate-Ladung ist auf <74 nC festgelegt, sodass es sich um eine maximale Schaltzeit von t = Qmax / Imin = 74 nC / 30 mA = 2,47 usec handelt.

Warum sollte man keinen Gate-Widerstand mit null Widerstand verwenden?

Mehrere Gründe:

  • Die Induktivität der parasitären Quelle im MOSFET kann hochfrequente Schwingungen oder zumindest einen stark unterdämpften Turnon verursachen

  • Im Allgemeinen möchten Sie die Einschaltzeit aus EMI-Gründen entsprechend einstellen.

  • Und bei einem Halbbrücken-Gate-Antrieb verwenden Sie normalerweise eine Diode parallel zum Einschaltwiderstand, damit das Ausschalten schnell und das Einschalten langsam erfolgt. Andernfalls können Sie aus Gründen, die über den Rahmen dieses Beitrags hinausgehen, durchschießen. (Wenn ich Zeit habe, schreibe ich einen Blogeintrag darüber und poste einen Link dazu.)

Jason S.
quelle
1
Tolle und detaillierte Antwort, danke. "Wenn ich Zeit habe, schreibe ich einen Blogeintrag darüber und poste einen Link dazu" - sicher :). Eine Sache - warum der Gate-Ladestrom 30-40mA beträgt? Warum nicht 5 V / 100 Ohm = 50 mA?
Dor
1
weil I = (Vs = 5V - Vgate) / R und die meiste Zeit das Gate bei Vgsth = 1-2V sitzt.
Jason S
(1) OK, aber warum möchten Sie die Quelle steuern? Warum nicht den Abfluss fahren, was üblicher ist? (2) Wie aus den Diagrammen ersichtlich ist, ist Vgs für einen Moment = Vgsth, steigt jedoch weiter auf die angelegte Vgs-Spannung (die höher ist) an. Es bleibt dort, bis Vds gleich Null ist. Was fehlt mir hier? : s
Dor
Wenn Sie die MOSFET-Quelle nicht ansteuern möchten, möchten Sie Vgs mithilfe einer Spannungsquelle (nicht zu verwechseln mit dem MOSFET-Quellenstift) über einen Vorwiderstand steuern.
Jason S