Was ist die MOSFET-Gate-Ansteuerungsfähigkeit und warum interessiert mich das?

Jemand sagte mir, dass diese Schaltung "schlechte Gate-Treiber-Fähigkeit" hat:

^{simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab}

Was heißt das konkret? Ich habe es mit einer LED als Last für M1 getestet und der Mikrocontroller kann es problemlos ein- und ausschalten. Unter welchen Umständen ist eine schlechte Laufwerksfähigkeit ein Problem? Wie verbessere ich es?

Die Antwort ist am Ende, aber für den Fall, dass Sie mit dem Konzept des MOS-Kondensators nicht vertraut sind, werde ich einen kurzen Überblick geben.

MOS Kondensator:

Das Gate des MOSFET-Transistors ist im Wesentlichen ein Kondensator. Wenn Sie an diesen Kondensator eine Spannung anlegen, wird eine elektrische Ladung akkumuliert:

Die Ladung, die sich auf der Gate-Elektrode angesammelt hat, ist nutzlos, aber die Ladung unter der Elektrode bildet einen leitenden Kanal, der den Stromfluss zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen ermöglicht:

Der Transistor schaltet ein, wenn die in diesem Kondensator gespeicherte Ladung spürbar wird. Die Gate-Spannung, bei der dies geschieht, wird als Schwellenspannung bezeichnet (im Wesentlichen ist die Gate-zu-Körper-Spannung hier relevant, aber nehmen wir an, dass der Körper als Nullpotential definiert ist).

Wie Sie vielleicht wissen, dauert das Laden eines Kondensators über einen Widerstand einige Zeit (es ist immer ein gewisser Widerstand vorhanden, auch wenn der Schaltplan keine Widerstände enthält). Diese Zeit hängt sowohl vom Kondensator- als auch vom Widerstandswert ab:

Wenn wir alle obigen Aussagen zusammenfassen, erhalten wir:

• Das Transistor-Gate ist ein Kondensator, der über einen Widerstand aufgeladen werden sollte, damit der Transistor "einschaltet".
• Je höher die Eingangskapazität des Gates ist, desto länger dauert es, den Transistor einzuschalten
• Je höher der Widerstand zwischen Spannungsquelle und Gate ist, desto länger dauert das Einschalten des Transistors
• Je höher die von außen angelegte Spannung ist, desto kürzer dauert es, den Transistor einzuschalten.

Die Antwort:

Wenn Leute "schlechte Gate-Ansteuerungsfähigkeit" sagen, bedeuten sie, dass die Einschalt- und Ausschaltzeiten des Transistors in einer gegebenen Konfiguration zu lang sind.

"Zu lange im Vergleich zu was?" Sie könnten fragen, und dies ist die wichtigste Frage zu stellen. Die erforderlichen Ein- und Ausschaltzeiten hängen von vielen Aspekten ab, auf die ich nicht eingehen möchte. Stellen Sie sich als Beispiel vor, Sie treiben den Transistor mit einer periodischen Rechteckwelle mit einem Tastverhältnis von 50% und einer Periode von 10 ms. Sie möchten, dass der Transistor während der hohen Phase eingeschaltet und während der niedrigen Phase des Signals ausgeschaltet ist. Wenn nun die Einschaltzeit des Transistors in einer gegebenen Konfiguration 10 ms beträgt, ist klar, dass 5 ms des Hochphasensignals nicht ausreichen, um ihn überhaupt einzuschalten. Die gegebene Konfiguration hat "schlechte Gate-Ansteuerungsfähigkeit".

Als Sie den Transistor zum Einschalten der LED verwendet haben, haben Sie keine hohen Schaltfrequenzen verwendet, richtig? In diesem Fall war die Schaltzeit des Transistors nicht von großer Bedeutung - Sie wollten nur sehen, dass er schließlich ein- und ausschaltet.

Zusammenfassung:

"Gate-Drive-Fähigkeit" kann im Allgemeinen nicht gut oder schlecht sein, aber es ist entweder gut genug für Ihre Anwendung oder nicht. Hängt von den Schaltzeiten ab, die Sie erreichen möchten.

Um die Schaltzeiten zu verkürzen, können Sie Folgendes tun:

• Reduzieren Sie den Widerstand gegen das Tor
• Erhöhen Sie die Spannungs- / Stromstärke der Treiberschaltung

Mit der Kapazität des Gates können Sie nichts anfangen - es ist eine eingebaute Eigenschaft des Transistors.

Hoffe das hilft

Das Problem tritt auf, wenn MOSFETs mit einer relativ hohen Frequenz ein- und ausgeschaltet werden sollen. Die in das Gate (Cgs) eingebrachte Miller-Kapazität spielt dann eine wichtige Rolle, so dass das Laden / Entladen dieser Kapazität bei einer hohen Frequenz das Einspeisen von Strömen über 1A in das Gate erfordert.

Im Gleichstrom- und statischen Betrieb "sieht" die Ansteuerschaltung jedoch eine sehr hochohmige Last und kann den MOSFET leicht ein- und ausschalten. Erhöhen Sie zum Testen und Überprüfen die Frequenz des GPIO-Pins im gezeigten Schema und beobachten Sie die Wellenform am Gate des MOSFET.