MOSFET: Wann können wir nicht annehmen, dass der Gate-Strom 0 ist?
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Eine häufige Faustregel, die Sie beim Erlernen der Elektrotechnik hören, lautet, dass der Gate-Strom eines MOSFET immer ungefähr 0 beträgt. Wann kann man nicht sicher davon ausgehen, dass er 0 ist?
Ein FET-Gate kann einen Pull-Up / Down-Widerstand aufweisen, der konstruktionsbedingt mehr als den Gate-Leckstrom aufnimmt.
Tyblu
Antworten:
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Unter Übergangsbedingungen ist der Gate-Strom ungleich Null, da Sie die Gate-Kapazität aufladen (oder entladen) müssen und dies Strom erfordert. Je größer der Gate-Strom ist, desto schneller ändert sich die Gate-Spannung und desto schneller schaltet das Gerät. Sobald der Schalterübergang abgeschlossen ist, nähert sich der Gate-Strom Null (und ist meistens der Leckstrom).
Bei niedrigen Schaltfrequenzen (PWM) ist der Effektivwert des Gate-Stroms niedrig. Höhere Schaltfrequenzen erhöhen den Effektivstrom.
Alle Aspekte dieser Antwort vermitteln ein sehr starkes Gefühl von Deja Vu :-)
Russell McMahon
"Höhere Schaltfrequenzen erhöhen den Durchschnitt des Absolutwerts des Stroms ". Der Durchschnittsstrom ist frequenzunabhängig.
Telaclavo
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Alle Aspekte dieser Antwort vermitteln ein sehr starkes Gefühl von Deja Vu :-) :-)
Russell McMahon
@Telaclavo - Der durchschnittliche Strom ist in einem ausreichenden Zeitraum frequenzunabhängig, da er (idealerweise) Null ist. Jeder Wert ungleich Null bedeutet, dass ständig Ladungen aufgebaut werden und ein Gate keine endlosen Ladungsvorräte speichern kann. Der absolute Wert ist jedoch nicht. Höhere Frequenzen bedeuten, dass die gleichen Ladungen mit einer höheren Rate, dh einem höheren absoluten Strom, zum und vom Gate bewegt werden.
Marcks Thomas
@ Telaclavo - guter Fang; Ich änderte den Durchschnitt zu
rms
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Die wichtigste Ausnahme ist normalerweise keine statische Ableitung, sondern das Laden oder Entladen der Gate-Kapazität zum Ein- oder Ausschalten.
Gate-Ströme von etwa 0,1 bis 1 A sind typischerweise erforderlich, um die Gate-Kapazität in nützlicherweise schnellen Zeiten zu laden und zu entladen.
Zu schnell führt zu zusätzlichen Verlusten.
Zu langsam führt dazu, dass sich der FET im aktiven Widerstandszustand zwischen Aus und Hart-Ein befindet und sehr große Energiemengen im Vergleich zu dem, was mit einem geeigneten Design erreicht werden kann, abgeführt werden.
Dies ist der Grund, warum Gate-Treiber erforderlich sind und warum Sie ein MOSFET-Gate nicht einfach mit hohen Frequenzen von einem Mikrocontroller-Pin aus ansteuern können, der normalerweise 1 bis 30 mA liefert, selbst wenn die Spannungsanforderungen gut erfüllt sind.
_______________________________-
Verwandte - MOSFET-Gate-Treiberströme:
Es wird oft nicht gewürdigt, dass ein MOSFET, der mit 10 kHz plus geschaltet wird, möglicherweise Gateansteuerströme im Bereich von 0,1 A bis 1A benötigt, um angemessene Schaltzeiten zu erzielen - abhängig von der Anwendung. Bei vielen 10 kHz wäre eine Gate-Ansteuerung am oberen Ende des Bereichs üblich.
MOSFET-Datenblätter spezifizieren Gate-Ladung und Gate-Kapazität. Die Kapazitäten liegen typischerweise im "Wenig NanoFarad" -Bereich und die Gateladung beträgt typischerweise einige zehn Nanocoulombs und die Eingangskapazität beträgt typischerweise ein NanoFard oder wenige.
Unter Verwendung des parametrischen Digikeys-Selektors setze ich nur N-Kanal-MOSFETs mit 60-100 V Vds und 10-20 A-IDs.
Die Gateladung war so niedrig wie 3,4 nC und die Eingangskapazität = 256 pF und
so hoch wie 225 nC mit einer Eingangskapazität von 5700 pF
mit einem unteren mittleren Quartil = 18 nC und 870 pF und einem
oberen mittleren Quartil = 46 nC und 1200 pF
Diese Ladung muss in die Gate-Kapazität "gepumpt" werden und aus dieser heraus.
Wenn Sie mit einer PWM-Frequenz von beispielsweise 10 kHz arbeiten, ist 1 Zyklus = 100 µs, und Sie würden hoffen, dass die Schaltzeiten nur einen Bruchteil davon ausmachen. Wenn Sie einige nF auf / von Null auf typisch 3 V bis 12 V laden oder entladen möchten, müssen Sie mindestens 100 mA an Antrieb haben.
1 Coulomb = 1 A Sekunde, daher erfordert 10 nC einen Mittelwert von 1 A für 0,01 uS oder einen Mittelwert von 0,1 A für 0,1 uS. Der schreckliche Ausreißer-MOSFET oben mit einer Gate-Ladung von 225 nC würde 0,225 uS zum Laden bei 1A und 2,25 uS bei 0,1A benötigen. Der Grund, warum dieser FET so viel schlimmer ist als die meisten anderen, ist, dass ich "seltsam bin - es ist ein 100-V-16-A-Depletion-Modus-Gerät , das normalerweise ohne Gate-Spannung eingeschaltet ist und eine negative Gate-Spannung benötigt, um es auszuschalten. Man kann es jedoch immer noch sein". erwischt "von zB diesem 60V, 20A Teil mit 100+ nC Gateladung.
Dieser normalere 60V 14A Teil mit 60 V und hat eine maximale Gateladung von 18 nC. Fahren Sie es von einem Mikrocontroller-Port-Pin bei 10 mA und es wird dauern! 1,8 us zum Laden des Gate-Kondensators - wahrscheinlich akzeptabel bei 10 kHz und sehr schlecht bei 100 kHz. Mit Anstiegs- und Abfallschaltzeiten von 110 und 41 nS, wenn Sie "richtig gesteuert" sind, möchten Sie lieber als ~ 2 uS Gate-Ladezeiten, um es irgendwo in der Nähe seiner oberen Grenzen zu schalten.
Beispiel:
200 nS High-Side-Gate-Treiber:
Quelle dieser Schaltung nicht sicher - über PICList Mitglied denke ich. Kann nachsehen, ob es jemanden interessiert. Beachten Sie, dass diese Schaltung wesentlich "klüger" ist, als es offensichtlich sein mag. (Olin mag die hier verwendete Eingabeanordnung). Der Spannungshub von ~ = 3 V über R14 bewirkt einen Spannungshub von ca. 15 V über R15, sodass die Q14 / Q15-Basen von +30 V auf ca. +15 V schwingen und ~ 15 V liefern, wenn das High-Side-Gate zum P-Kanal-MOSFET geleitet wird.
@tyblu - Fast jede Art von Leistungs-MOSFET, der mehr als nur geringfügige Ströme schaltet. Sagen Sie ein paar hundert mA auf. In den Datenblättern finden Sie Angaben zur Gate-Ladung und Gate-Kapazität. Diese Ladung muss in die Gate-Kapazität "gepumpt" werden und aus dieser heraus. Wenn Sie mit einer PWM-Frequenz von beispielsweise 10 kHz arbeiten, ist 1 Zyklus = 100 µs, und Sie würden hoffen, dass die Schaltzeiten nur einen Bruchteil davon ausmachen. Wenn Sie ein paar NF auf / von Null auf typisch 3 V bis 12 V laden oder entladen möchten, müssen Sie mindestens 100 mA an Antrieb haben.
Russell McMahon
Ah, Power-FETs. Bin an <500mA Ids gewöhnt, wobei der Eingang <1nF ist. Beachten Sie, dass die im Datenblatt angegebenen Gate-Kapazitäten immer bei einer bestimmten Frequenz liegen (z. B. 1 MHz).
Tyblu
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Überprüfen Sie das Datenblatt. Für diesen MOSFET spezifizieren sie einen Gate-Source-Leckstrom von maximal 100nA. Wenn Sie den FET beispielsweise von einem Opamp aus steuern, können Sie dies wahrscheinlich ignorieren. Wenn Sie eine statische Spannung mit einer sehr geringen Ladung verwenden, sind die 100nA möglicherweise zu hoch. Es hängt alles von Ihrer Anwendung ab, aber in den meisten Fällen ist dieser statische Strom vernachlässigbar. Durch das Ein- und Ausschalten wird die Kapazität des Gates durch eine viel größere Stromspitze aufgeladen und entladen.
Hypothetische Situation: Angenommen, Sie wollten die Instrumentierung / Erfassung von Spannungen implementieren, die durch sehr kleine Ladungen erzeugt werden. (Ladungen, die durch eine sehr hohe Impedanz auch nur durch einen winzigen Strom entladen werden könnten.)
Im Folgenden sind einige Wellenformen aufgeführt, die auf einige der transienten Eigenschaften eines großen MOSFET hinweisen. Der Gate-Strom wird während des Schaltens hoch und kann hier einen Abfall der Gate-Treiberspannung verursacht haben. (schwarze Linie)
.
Gate-Strom ist eines der Dinge, die in dieser Grafik nicht gezeigt werden, oder? Und was istVG G?
Telaclavo
1
Das Diagramm ist schön, braucht aber noch einige Anmerkungen ...
Tyblu
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Ich denke, diese Verallgemeinerung ergibt sich aus dem Vergleich eines MOSFET mit einem BJT im Hinblick auf eine idealisierte Verstärkungsanwendung.
"Ein BJT ist ein stromgesteuertes Gerät (Basisstrom, der den Kollektorstrom steuert, die Basisspannung ist auf einen PN-Vorwärtsabfall begrenzt), während ein MOSFET ein Transkonduktanzgerät ist (der Basisstrom ist vernachlässigbar, die Basisspannung steuert den Kollektorstrom)", so der Lehrer .
Wenn Sie von "Steady-State" -Verstärkern sprechen (kein hartes Schalten oder große Schwankungen der Vorspannung), gilt die Annahme von "Null Basisstrom" so weit, dass Sie sinnvolle Arbeit leisten können.
Wenn Sie hochfrequentes hartes Schalten einführen, dominieren, wie andere bereits betont haben, die inhärenten Kapazitäten des MOSFET das Verhalten (dh der entnommene Basisstrom ist eine Funktion des Ladens und Entladens der Gate-Kapazität), sodass die Annahme des Nullstroms ungültig wird.
Antworten:
Unter Übergangsbedingungen ist der Gate-Strom ungleich Null, da Sie die Gate-Kapazität aufladen (oder entladen) müssen und dies Strom erfordert. Je größer der Gate-Strom ist, desto schneller ändert sich die Gate-Spannung und desto schneller schaltet das Gerät. Sobald der Schalterübergang abgeschlossen ist, nähert sich der Gate-Strom Null (und ist meistens der Leckstrom).
Bei niedrigen Schaltfrequenzen (PWM) ist der Effektivwert des Gate-Stroms niedrig. Höhere Schaltfrequenzen erhöhen den Effektivstrom.
quelle
Die wichtigste Ausnahme ist normalerweise keine statische Ableitung, sondern das Laden oder Entladen der Gate-Kapazität zum Ein- oder Ausschalten.
Gate-Ströme von etwa 0,1 bis 1 A sind typischerweise erforderlich, um die Gate-Kapazität in nützlicherweise schnellen Zeiten zu laden und zu entladen.
Zu schnell führt zu zusätzlichen Verlusten.
Zu langsam führt dazu, dass sich der FET im aktiven Widerstandszustand zwischen Aus und Hart-Ein befindet und sehr große Energiemengen im Vergleich zu dem, was mit einem geeigneten Design erreicht werden kann, abgeführt werden.
Dies ist der Grund, warum Gate-Treiber erforderlich sind und warum Sie ein MOSFET-Gate nicht einfach mit hohen Frequenzen von einem Mikrocontroller-Pin aus ansteuern können, der normalerweise 1 bis 30 mA liefert, selbst wenn die Spannungsanforderungen gut erfüllt sind.
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Verwandte - MOSFET-Gate-Treiberströme:
Es wird oft nicht gewürdigt, dass ein MOSFET, der mit 10 kHz plus geschaltet wird, möglicherweise Gateansteuerströme im Bereich von 0,1 A bis 1A benötigt, um angemessene Schaltzeiten zu erzielen - abhängig von der Anwendung. Bei vielen 10 kHz wäre eine Gate-Ansteuerung am oberen Ende des Bereichs üblich.
MOSFET-Datenblätter spezifizieren Gate-Ladung und Gate-Kapazität. Die Kapazitäten liegen typischerweise im "Wenig NanoFarad" -Bereich und die Gateladung beträgt typischerweise einige zehn Nanocoulombs und die Eingangskapazität beträgt typischerweise ein NanoFard oder wenige.
Unter Verwendung des parametrischen Digikeys-Selektors setze ich nur N-Kanal-MOSFETs mit 60-100 V Vds und 10-20 A-IDs.
Die Gateladung war so niedrig wie 3,4 nC und die Eingangskapazität = 256 pF und
so hoch wie 225 nC mit einer Eingangskapazität von 5700 pF
mit einem unteren mittleren Quartil = 18 nC und 870 pF und einem
oberen mittleren Quartil = 46 nC und 1200 pF
Diese Ladung muss in die Gate-Kapazität "gepumpt" werden und aus dieser heraus.
Wenn Sie mit einer PWM-Frequenz von beispielsweise 10 kHz arbeiten, ist 1 Zyklus = 100 µs, und Sie würden hoffen, dass die Schaltzeiten nur einen Bruchteil davon ausmachen. Wenn Sie einige nF auf / von Null auf typisch 3 V bis 12 V laden oder entladen möchten, müssen Sie mindestens 100 mA an Antrieb haben.
1 Coulomb = 1 A Sekunde, daher erfordert 10 nC einen Mittelwert von 1 A für 0,01 uS oder einen Mittelwert von 0,1 A für 0,1 uS. Der schreckliche Ausreißer-MOSFET oben mit einer Gate-Ladung von 225 nC würde 0,225 uS zum Laden bei 1A und 2,25 uS bei 0,1A benötigen. Der Grund, warum dieser FET so viel schlimmer ist als die meisten anderen, ist, dass ich "seltsam bin - es ist ein 100-V-16-A-Depletion-Modus-Gerät , das normalerweise ohne Gate-Spannung eingeschaltet ist und eine negative Gate-Spannung benötigt, um es auszuschalten. Man kann es jedoch immer noch sein". erwischt "von zB diesem 60V, 20A Teil mit 100+ nC Gateladung.
Dieser normalere 60V 14A Teil mit 60 V und hat eine maximale Gateladung von 18 nC. Fahren Sie es von einem Mikrocontroller-Port-Pin bei 10 mA und es wird dauern! 1,8 us zum Laden des Gate-Kondensators - wahrscheinlich akzeptabel bei 10 kHz und sehr schlecht bei 100 kHz. Mit Anstiegs- und Abfallschaltzeiten von 110 und 41 nS, wenn Sie "richtig gesteuert" sind, möchten Sie lieber als ~ 2 uS Gate-Ladezeiten, um es irgendwo in der Nähe seiner oberen Grenzen zu schalten.
Beispiel:
200 nS High-Side-Gate-Treiber:
Quelle dieser Schaltung nicht sicher - über PICList Mitglied denke ich. Kann nachsehen, ob es jemanden interessiert. Beachten Sie, dass diese Schaltung wesentlich "klüger" ist, als es offensichtlich sein mag. (Olin mag die hier verwendete Eingabeanordnung). Der Spannungshub von ~ = 3 V über R14 bewirkt einen Spannungshub von ca. 15 V über R15, sodass die Q14 / Q15-Basen von +30 V auf ca. +15 V schwingen und ~ 15 V liefern, wenn das High-Side-Gate zum P-Kanal-MOSFET geleitet wird.
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Überprüfen Sie das Datenblatt. Für diesen MOSFET spezifizieren sie einen Gate-Source-Leckstrom von maximal 100nA. Wenn Sie den FET beispielsweise von einem Opamp aus steuern, können Sie dies wahrscheinlich ignorieren. Wenn Sie eine statische Spannung mit einer sehr geringen Ladung verwenden, sind die 100nA möglicherweise zu hoch. Es hängt alles von Ihrer Anwendung ab, aber in den meisten Fällen ist dieser statische Strom vernachlässigbar. Durch das Ein- und Ausschalten wird die Kapazität des Gates durch eine viel größere Stromspitze aufgeladen und entladen.
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Hypothetische Situation: Angenommen, Sie wollten die Instrumentierung / Erfassung von Spannungen implementieren, die durch sehr kleine Ladungen erzeugt werden. (Ladungen, die durch eine sehr hohe Impedanz auch nur durch einen winzigen Strom entladen werden könnten.)
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Im Folgenden sind einige Wellenformen aufgeführt, die auf einige der transienten Eigenschaften eines großen MOSFET hinweisen. Der Gate-Strom wird während des Schaltens hoch und kann hier einen Abfall der Gate-Treiberspannung verursacht haben. (schwarze Linie)
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Ich denke, diese Verallgemeinerung ergibt sich aus dem Vergleich eines MOSFET mit einem BJT im Hinblick auf eine idealisierte Verstärkungsanwendung.
"Ein BJT ist ein stromgesteuertes Gerät (Basisstrom, der den Kollektorstrom steuert, die Basisspannung ist auf einen PN-Vorwärtsabfall begrenzt), während ein MOSFET ein Transkonduktanzgerät ist (der Basisstrom ist vernachlässigbar, die Basisspannung steuert den Kollektorstrom)", so der Lehrer .
Wenn Sie von "Steady-State" -Verstärkern sprechen (kein hartes Schalten oder große Schwankungen der Vorspannung), gilt die Annahme von "Null Basisstrom" so weit, dass Sie sinnvolle Arbeit leisten können.
Wenn Sie hochfrequentes hartes Schalten einführen, dominieren, wie andere bereits betont haben, die inhärenten Kapazitäten des MOSFET das Verhalten (dh der entnommene Basisstrom ist eine Funktion des Ladens und Entladens der Gate-Kapazität), sodass die Annahme des Nullstroms ungültig wird.
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