Bedeutung des MOSFET "linearer Bereich" im Zusammenhang mit Schaltverlusten

Im Zusammenhang mit MOSFET-Schaltkreisen (PWM, Motorsteuerung usw.) habe ich gelesen, dass der "lineare Betriebsbereich" dort ist, wo Sie nicht lange sein möchten, da hier eine große Leistung im MOSFET vorhanden ist. Zum Beispiel diese Antwort :

Sie treiben den MOSFET in seinen linearen Bereich (Verlustleistung)

Oder diese Anwendungsnotiz von International Rectifier :

Wenn das Gerät als Schalter betrieben wird, verringert eine große Übergangsstromfähigkeit der Ansteuerschaltung die im linearen Bereich verbrachte Zeit, wodurch die Schaltverluste verringert werden.

Dennoch bietet Wikipedia diese Definitionen :

• linearer Bereich: $V_{GS} > V_{th}$und$V_{DS} < ( V_{GS} – V_{th} )$
• aktiver Modus: und$V_{GS} > V_{th}$$V_{DS} ≥ ( V_{GS} – V_{th} )$

Das heißt, und damit die Leistung im MOSFET ist im linearen Bereich geringer als im aktiven Modus. Daher würde ich denken, dass es Zeit im aktiven Modus ist, die man vermeiden möchte. Als eine schaltet von Aus zu auf , beginnt man in Cutoff, bewegt sich durch aktive Betriebsart , so schnell wie möglich , um Verluste zu minimieren, endet in dem linearen Bereich.$V_{DS}$

Ich kann dies jedoch nicht mit den obigen Beispielen vereinbaren, in denen die Minimierung der Zeit im linearen Bereich erörtert wird. Wo ist die Inkonsistenz?

"Linearer Bereich" in den Antworten, die Sie zitieren, wird etwas locker verwendet. Oft sagen wir "linearer Bereich" oder "linearer Betrieb" in der Elektronik, wenn wir Zwischenbetrieb meinen, bei dem eine Spannung irgendwo zwischen den Stromversorgungsschienen (wie in der Nähe einer von ihnen geklemmt) oder einem Gerät wie einem Transistor gehalten wird in der mittleren Region aufbewahrt werden, in der es nicht vollständig ein- oder ausgeschaltet ist. Oft sind Geräte in diesem "linearen Bereich" nicht allzu linear, aber es ist ein Name, der vor langer Zeit erhalten geblieben ist, als der lineare Bereich im Schaltbetrieb oder im abgeschnittenen Bereich verwendet wurde.

Es ist dieser mittlere "lineare" Bereich, in dem das Gerät erhebliche Leistung abführt. Wenn das Gerät ein idealer Schalter ist, kann es im geöffneten Zustand, da der Strom Null ist, oder im geschlossenen Zustand, da die Spannung Null ist, keine Leistung abführen.

Dies unterscheidet sich vom "linearen Bereich", wenn es um die Gerätephysik oder Detailmerkmale eines MOSFET geht. Dort kann "linear" "ungefähr linearer Strom mit angelegter Spannung" bedeuten, was auch bedeutet, dass der MOSFET wie ein Widerstand wirkt, der eher einer Stromquelle ähnelt. Das unterscheidet sich vom "linearen Bereich" aus der Sicht der Gesamtschaltung.

Ja, es ist kontextabhängig und kann verwirrend sein. Wenn Sie präzise sein müssen, verwenden Sie reelle Zahlen.

"Linearer Bereich" ist leider der am uneinheitlichsten verwendete Begriff, wenn es um MOSFETs geht. Es kann je nach Autor genau das Gegenteil bedeuten. Vergleichen Sie:

Bild aus dieser Appnote .

Aus diesem Lehrbuch , das den linken Bereich "linearer Bereich" nennt.

Beachten Sie auch, dass JEDEC "Ohmsche Region" bzw. "Sättigungsregion" als Wahl der Standardterminologie für MOSFETs gewählt hat (wie in der ersten Abbildung oben). Dies ist in JESD77b auf Seite "4-31" angegeben. Sie vermieden es, eine Region "linear" zu nennen.

Lineare Region bedeutet in diesem Zusammenhang die Region, in der Sie nicht operieren möchten, da die Produkt-ID · Vds groß ist und Sie daher viele Verluste haben. Sie möchten die Verluste im Transistor minimieren, indem Sie den Transistor entweder vollständig ein- oder ausschalten.

Das Umschalten zwischen den beiden Zuständen sollte so schnell wie möglich erfolgen, da dort Verluste entstehen.

Der Bereich unter der blauen Kurve ist die im Gerät verbrauchte Energie. Wenn Sie langsamer schalten, wird der Bereich größer.

Wenn Sie sich das typische Einschalten beim harten Einschalten ansehen

oder ausschalten

Sie können sehen, dass für einige Zeit gleichzeitig Hochspannung und Hochstrom am Gerät vorhanden sind. Ein schnelleres Umschalten minimiert den Zeitaufwand in diesem Bereich.

Es gibt Möglichkeiten, die Schaltverluste durch Verwendung einer Nullspannungs- oder Nullstromschaltung zu minimieren. Sie müssen Ihren Wandler so gestalten, dass er nur dann schaltet, wenn entweder Spannung oder Strom am Transistor nahe Null sind. Auf diese Weise liegt auch das Leistungsprodukt von Id · Vds nahe Null.

Das Diagramm, das die Energie zeigt, scheint Zeit als Achse zu haben. Es kann hilfreich sein, die Leistung gegen den Spannungsabfall grafisch darzustellen, wenn eine ohmsche Last angenommen wird (z. B. 10-Volt-Versorgung und eine Ein-Ohm-Last). Wenn das Gerät vollständig ausgeschaltet ist, ist kein Strom und daher keine Leistung vorhanden. Bei voller Einschaltung sehr geringer Spannungsabfall (z. B. 0,2 Volt) und damit geringe Leistung (9,8 Ampere, also 1,96 Watt). Wenn "halb" eingeschaltet, signifikanter Spannungsabfall (5 Volt) und signifikanter Strom (5 Ampere), also große Leistung (25 Watt).

Es gibt ein wenig Verwirrung darüber, welche Seite des Diagramms als "linearer" Bereich bezeichnet wird. Wenn Sie einen MOSFET für die PWM-Schaltung verwenden, sollten Sie immer versuchen, im linken Bereich des Diagramms zu bleiben.

Denken Sie daran, dass ein MOSFET ein spannungsgesteuertes Strombegrenzungsgerät ist. Wenn zwischen dem Gate und den Source-Pins genügend Spannung vorhanden ist ($V_{GS} > V_{th}$) lässt der MOSFET Strom bis zu einer Grenze fließen. Die Strombegrenzung wird bestimmt durch$V_{GS}$ und kann je nach Teil variieren (siehe Grafik in Ihrem Datenblatt).

Wenn Sie versuchen, mehr Strom als diese Grenze zu ziehen, geben Sie den richtigen Bereich des Diagramms ein. Hier wirkt der MOSFET als Widerstand, der zur Aufrechterhaltung dieses begrenzten Stroms erforderlich ist. Wie jeder Widerstand mit hohem Strom wird es sehr heiß. Da es wie ein Widerstand wirkt, liegt jetzt eine signifikante Spannung an den Drain- und Source-Pins an ($V_{DS} ≥ (V_{GS}–V_{th}$)).

Stellen Sie bei Verwendung des MOSFET für die PWM-Schaltung sicher, dass Sie genügend anwenden $V_{GS}$so dass die Strombegrenzung des MOSFET höher ist als die Strommenge Ihres Lüfters / Motors / etc. wird zeichnen. Bei Leistungs-MOSFETs empfehle ich die Verwendung der gleichen Spannung für$V_{GS}$die Sie verwenden, um den Lüfter / Motor / etc. selbst; Dies gewährleistet die schnellsten Schaltzeiten und reduziert die Zeit, die Sie im richtigen Bereich verbringen, die durch Laden / Entladen der kleinen Kapazität des MOSFET verursacht wird. Hier ist ein Beispiel für die Verwendung eines Operationsverstärkers zum Erhöhen der PWM-Spannung:

UPDATE : Hier ist ein weiteres Beispiel für die Verwendung eines Totempfahls zum Ansteuern des MOSFET-Gatters. Dies hat den Vorteil, dass das Gate mit einem hohen Strom betrieben wird.

Hinweis: Aufgrund des zweiten N-ch-MOSFET wird das PWM-Signal invertiert. Ich habe den Schmitt-Trigger auf den invertierenden Typ geändert, um dies zu korrigieren.