Comprensione del processo di accensione dei MOSFET

Un processo di accensione MOSFET calcolato correttamente garantisce che il dispositivo venga acceso con efficienza ottimale.

Durante la progettazione di circuiti basati su MOSFET potresti esserti chiesto qual è il modo corretto di accendere un MOSFET? O semplicemente qual è la tensione minima che dovrebbe essere applicata al gate / source del dispositivo per accenderlo perfettamente?

Sebbene per molti sistemi digitali questo potrebbe non essere un problema, i sistemi a 5V come DSP, FPGA e Arduino richiedono potenziamento delle loro uscite per condizioni di commutazione ottimali per il MOSFET collegato.

E in queste situazioni il progettista inizia a guardare le specifiche del MOSFET per ottenere i dati sulla tensione di soglia. Il progettista presume che il MOSFET si accenda e cambi stato quando viene superato questo livello di soglia.

Tuttavia questo potrebbe non essere così semplice come potrebbe sembrare.

Cos'è la tensione di soglia V_{GS (th)}

Prima di tutto dobbiamo renderci conto che la tensione di soglia, indicata con V_{GS (th)}non è compito dei progettisti di circuiti preoccuparsi.

Per essere precisi, è la tensione di gate che fa sì che la corrente di drain del MOSFET attraversi un livello di soglia di 250 μA, e questo viene testato in condizioni che normalmente potrebbero non verificarsi mai nelle applicazioni pratiche.

Durante alcune analisi, un 5V costante viene utilizzato per il test sopra menzionato del dispositivo. Ma questo test è normalmente implementato con il gate e lo drain del dispositivo collegati o in corto tra loro. Puoi facilmente ottenere queste informazioni nella scheda tecnica stessa, quindi non c'è nulla di misterioso in questo test.

La tabella sopra indica i livelli di soglia e le condizioni di test rilevanti per un MOSFET di esempio.

Per un'applicazione desiderata, il progettista potrebbe essere preoccupato per una situazione temuta nota come tensione di gate 'indotta', che potrebbe essere un problema serio, ad esempio in un MOSFET lato basso di convertitore buck sincrono .

Come discusso in precedenza, anche qui dobbiamo capire che varcare la soglia V_{GS (th)}il livello potrebbe non forzare il dispositivo a entrare in una condizione di guasto. Questo livello in realtà indica al progettista la soglia alla quale il MOSFET inizia ad accendersi e non è una situazione in cui le cose finiscono del tutto.

Può essere consigliabile che mentre il MOSFET è nella condizione OFF la tensione di gate sia mantenuta al di sotto di V._{GS (th)}livello, per evitare dispersioni di corrente. Ma mentre lo si attiva questo parametro può essere semplicemente ignorato.

Trasferisci curva caratteristica

Troverai un altro diagramma delle curve denominato caratteristiche di trasferimento in schede tecniche MOSFET che spiegano il suo comportamento di accensione in risposta all'aumento della tensione di gate.

Per essere precisi, questo può essere più correlato all'analisi della variazione di corrente rispetto alla tensione di gate e alla temperatura della custodia del dispositivo. In questa analisi la V_DSè tenuto a un livello fisso ma alto, intorno ai 15 V, che potrebbe non essere rivelato nelle specifiche della scheda tecnica.

Se ci riferiamo alla curva come mostrato sopra ci rendiamo conto che per una corrente di drain di 20 Amp, la tensione gate-to-source di 3,2 V potrebbe non essere adeguata.

La combinazione risulterebbe in un VDS di 10 V tipicamente con una dissipazione di 200 watt.

I dati della curva di trasferimento possono essere utili per i MOSFET operanti nella gamma lineare, tuttavia i dati della curva possono avere meno importanza per i MOSFET nelle applicazioni di commutazione.

Caratteristiche di output

La curva che rivela i dati effettivi relativi alla condizione completamente ON di un MOSFET è nota come curva di uscita come mostrato di seguito:

Qui, per i vari livelli di V_GSla caduta diretta del MOSFET viene misurata in funzione della corrente. Gli ingegneri del dispositivo utilizzano questi dati della curva per confermare il livello ottimale di tensione di gate.

Per ogni livello di tensione di gate che assicura una piena accensione del MOSFET [R_{DS (attivo)}], otteniamo una gamma di cadute di tensione (V_GS) da drain a source con una risposta strettamente lineare con la corrente di drain. L'intervallo inizia da zero in su.

Per tensioni di gate inferiori (V_GS), quando la corrente di drain viene aumentata, troviamo la curva che perde la risposta lineare, si sposta attraverso il 'ginocchio' e poi diventa piatta.

I dettagli della curva sopra ci forniscono le caratteristiche di uscita complete per una gamma di tensioni di gate da 2,5 V a 3,6 V.

Gli utenti MOSFET possono normalmente considerare questa come la funzione lineare. Tuttavia, al contrario, gli ingegneri dei dispositivi potrebbero preferire prestare maggiore attenzione alla regione grigia del grafico che suggerisce la regione di saturazione corrente per la tensione di gate applicata.

Rivela i dati correnti che hanno toccato il punto di saturazione o il limite di saturazione. A questo punto, se la V_DSè aumentata si tradurrà in un aumento marginale della corrente, ma un piccolo aumento della corrente di drain può portare a una V molto più grande_DS.

Per livelli di tensione di gate aumentati, che consentono al MOSFET di accendersi completamente, l'area ombreggiata in verde ci mostrerà il punto di lavoro per il processo, indicato come regione resistiva (o ohmica).

Si noti che le curve qui mostrano solo i valori tipici e non includono alcun limite minimo o massimo.

Durante il funzionamento a temperature ambiente inferiori, il dispositivo richiederà una tensione di gate più elevata per rimanere nella regione resistiva, che può salire al tasso dello 0,3% / ° C.

Cos'è MOSFET RDS (attivo)

Quando gli ingegneri dei dispositivi devono incontrare le caratteristiche di uscita del MOSFET, vorranno essenzialmente conoscere R_{DS (attivo)}del dispositivo con riferimento alle specifiche condizioni di funzionamento.

Generalmente, questo può essere un mix di V_GSe io_DSattraverso l'area in cui la curva ha deviato dalla linea retta nella parte indicata dalla sfumatura grigia.

Considerando l'esempio discusso sopra, una tensione di gate di 3,1 V con una corrente iniziale di 10 Amp, gli ingegneri sapranno che la R_{DS (attivo)}tenderà ad essere maggiore del valore stimato. Detto questo, ci aspettiamo che il produttore di MOSFET fornisca dati approssimativi al riguardo?

Con entrambe le quantità V_DSe io_DSfacilmente ottenibile nella curva può diventare troppo allettante, e spesso ci si arrende, per dividere le due quantità alla risultante R_{DS (attivo)}.

Tuttavia, purtroppo non abbiamo una R_{DS (attivo)}per la valutazione qui. Sembra non essere disponibile per le situazioni menzionate poiché per qualsiasi sezione del file linea di carico che rappresenta una resistenza deve attraversare l'origine in modo lineare.

Detto questo, potrebbe essere possibile simulare la linea di carico in una forma aggregata come una resistenza non lineare.

Come minimo, questo garantirà che qualsiasi comprensione del lavoro pratico sia sostenuta all'origine (0, 0).

Caratteristiche della curva di carica del gate

Sono i dati della curva di carica del gate che in realtà ci danno un vero suggerimento riguardo alle specifiche di accensione del MOSFET come mostrato nella figura sotto :

Sebbene la curva di cui sopra sia un'inclusione standard in tutte le schede tecniche MOSFET, le indicazioni sottostanti sono raramente comprese dall'utente MOSFET.

Inoltre, i moderni progressi nei layout MOSFET, come trench e porte schermate, richiedono un indirizzamento dei dati modificato.

Ad esempio, la specifica denominata 'gate-charge' potrebbe apparire di per sé leggermente fuorviante.

Le sezioni lineari e divise della curva non sembrano come la tensione che carica un condensatore, indipendentemente dal valore non lineare che può mostrare.

Per essere precisi, la curva di carica di gate indica un dato associato di due condensatori non paralleli, aventi grandezze dissimili e portanti differenti livelli di tensione.

In teoria, la capacità funzionale come testimoniato dal terminale di gate MOSFET è definita con l'equazione:

C_iss= C_gs+ C_gd

dove C_iss= capacità di gate, C_gs= capacità gate source, C_gd= capacità di gate drain

Sebbene possa sembrare piuttosto semplice misurare questa unità e specificarla nelle schede tecniche, si deve notare che il termine C_issin realtà non è una capacità reale.

Può essere completamente sbagliato pensare che un MOSFET sia acceso semplicemente attraverso una tensione applicata sulla 'capacità del gate C_iss'.

Come indicato nella figura sopra, appena prima che un MOFET si accenda, la capacità del gate non ha carica, ma la capacità al gate-drain C_gdpossiede una carica negativa che deve essere eliminata.

Entrambe queste capacità hanno una natura non lineare e i loro valori variano ampiamente al variare delle tensioni applicate.

Quindi, è importante notare che sono le cariche immagazzinate del MOSFET che determinano le sue caratteristiche di commutazione, e non il valore di capacità per uno specifico livello di tensione.

Poiché i due elementi di capacità che costituiscono C_isshanno attributi fisici diversi, tendono a caricarsi con livelli di tensione dissimili, richiedendo che anche il processo di accensione del MOSFET attraversi due fasi.

La sequenza precisa può essere diversa per applicazioni resistive e induttive, ma in genere la maggior parte dei carichi pratici essendo altamente induttivi, il processo potrebbe essere simulato come illustrato nella figura seguente:

Sequenza dei tempi di carica del gate

Le sequenze di temporizzazione della carica del gate del MOSFET possono essere studiate dallo schema seguente:

Può essere compreso con la seguente spiegazione:

1. T0 - T1: C_gsaddebiti da zero a V_{GS (th)}... V_DSo io_DSnon subisce modifiche.
2. T1-T2, la corrente inizia a salire nel MOSFET in risposta all'aumento della tensione di gate da V_{GS (th)}fino alla tensione di plateau V_gp.
3. Qui, IDS aumenta e raggiunge la corrente a pieno carico da 0 V, sebbene V_DSrimane inalterato e costante. La carica associata è formata dall'integrale di C_gsda 0 V a V_gpe Q_gsfornito nelle schede tecniche.
4. T2 - T3: osservare la regione pianeggiante tra T2 e T3, si chiama altopiano di Miller.
5. Prima dell'accensione, C_gdcarica e mantiene la tensione di alimentazione V_NEL, fino a che io_DSraggiunge il valore di picco I (carico) in T2.
6. Il tempo tra il periodo T2 e T3, la carica negativa (V_NEL- V_gp) viene convertito in carica positiva rispetto alla tensione di plateau V_gp.
7. Questo può anche essere visualizzato come la caduta della tensione di drain da V_NELa circa quasi zero.
8. La carica in questione è pari a circa la C_gdintegrale da 0 a V_nel, che viene mostrato come Q_gdnelle schede tecniche.
9. Durante T3 - T4, la tensione di gate sale da V_gpa V_GS, e qui non troviamo quasi alcun cambiamento per V_DSe io_DS, ma l'effettiva R_{DS (attivo)}diminuisce leggermente all'aumentare della tensione di gate. A un livello di tensione superiore a V._gp, fornisce al produttore una sicurezza sufficiente per fissare il limite superiore della R effettiva_{DS (attivo)}.

Per carichi induttivi

L'aumento di corrente nel canale MOSFET a causa di un carico induttivo deve essere completato prima che la tensione inizi a diminuire.

All'inizio del plateau, il MOSFET è nello stato OFF, in presenza di una corrente e una tensione elevate tra il drain e il source.

Tra il tempo T2 e T3, una carica Q_gdviene applicato al gate del MOSFET, in cui la caratteristica MOSFET si trasforma da corrente costante a modalità a resistenza costante alla fine.

Quando si verifica la transizione di cui sopra, nessun cambiamento evidente nella tensione di gate V_gpha luogo.

Questo è il motivo per cui non è mai un'idea saggia mettere in relazione un processo di accensione del MOSFET con un particolare livello di tensione di gate.

Lo stesso può essere vero per il processo di spegnimento, che richiede l'eliminazione delle stesse due cariche (discusse in precedenza) dal gate del MOSFET nell'ordine opposto.

Velocità di commutazione MOSFET

Mentre Q_gspiù Q_gdinsieme assicura che il MOSFET si accenda completamente, non ci dice quanto velocemente questo accadrà.

La velocità con cui la corrente o la tensione cambieranno è determinata dalla velocità con cui gli elementi di carica al gate vengono applicati o rimossi. Questa è anche definita come corrente di pilotaggio del gate.

Sebbene una velocità di salita e discesa rapida assicuri minori perdite di commutazione nei MOSFET, queste possono anche dar luogo a complicazioni a livello di sistema legate a tensioni di picco aumentate, oscillazioni e interferenze elettromagnetiche, specialmente durante gli istanti di spegnimento del carico induttivo.

La tensione in caduta lineare rappresentata nella Fig.7 sopra riesce ad assumere un valore costante di Cgd, cosa che difficilmente può accadere ai MOSFET nelle applicazioni pratiche.

Per essere precisi, la carica gate-drain C_gdper un MOSFET a super giunzione ad alta tensione come SiHF35N60E mostra una risposta lineare significativamente elevata, come si può vedere nella figura seguente:

L'intervallo di variazione che esiste nel valore di C_rss(trasferimento inverso) è superiore a 200: 1 entro i 100 V. Per questo motivo il tempo effettivo di caduta della tensione contro la curva di carica del gate appare più simile alla linea tratteggiata mostrata in rosso nella figura 7.

A tensioni più elevate, i tempi di salita e di discesa delle cariche, insieme ai loro valori dV / dt equivalenti, dipendono maggiormente dal valore di C_rss, invece dell'integrale dell'intera curva indicata come Q_gd.

Quando gli utenti desiderano confrontare le specifiche del MOSFET all'interno di diversi ambienti di progettazione, dovrebbero rendersi conto che il MOSFET con metà della Q_gdvalue non presenterà necessariamente una velocità di commutazione due volte più veloce o il 50% in meno di perdite di commutazione.

Questo perché, secondo la C_gdcurva e la sua grandezza a tensioni più elevate, può essere abbastanza possibile per un MOSFET avere un Qgd basso nella scheda tecnica, ma senza alcun aumento della velocità di commutazione.

Riassumendo

Nell'attuale implementazione, l'accensione di un MOSFET avviene attraverso una serie di processi, e non con un parametro predeterminato.

I progettisti di circuiti devono smetterla di immaginare che V_{GS (th)}, oppure i livelli di tensione potrebbero essere usati come tensione di gate per commutare l'uscita del MOSFET da alto a basso R_{DS (attivo)}.

Potrebbe essere inutile pensare di avere una R._{DS (attivo)}al di sotto o al di sopra di un livello di tensione di gate specifico, poiché il livello di tensione di gate non decide intrinsecamente l'accensione di un MOSFET. Piuttosto sono le accuse Q_gse Q_gdintrodotto nel MOSFET che esegue il lavoro.

È possibile che la tensione del gate salga al di sopra di V._{GS (th)}e V_gpdurante il processo di carica / scarica, ma non sono così importanti.

Allo stesso modo, la velocità con cui il MOSFET di oggi può accendersi o spegnersi può essere una funzione complessa di Q_gso Q_gd.

Per valutare le velocità di commutazione dei MOSFET, in particolare i MOSFET avanzati, il progettista deve passare attraverso uno studio completo riguardante la curva di carica del gate e le caratteristiche di capacità del dispositivo.

Riferimento: https://www.vishay.com/