正確計算的 MOSFET 導通過程可確保器件以最佳效率導通。
在設計基于 MOSFET 的電路時,您可能想知道打開 MOSFET
的正確方法是什么?或者簡單地說,應該在器件的柵極/源極上施加什么最小電壓才能完美地打開?
雖然對于許多數字系統來說,這可能不是問題,但 DSP、FPGA 和 Arduinos 等 5V 系統需要提升其輸出,以便為連接的 MOSFET
提供最佳開關條件。
在這些情況下,設計人員開始查看MOSFET的規格,以獲得閾值電壓數據。設計人員假設MOSFET在超過此閾值電平時將導通并改變狀態。
然而,這可能并不像看起來那么簡單。
什么是閾值電壓V總務(千)
首先我們必須認識到,閾值電壓,表示為V總務(千)不是電路設計人員該擔心的。
確切地說,是柵極電壓導致MOSFET的漏極電流超過250 μA的閾值電平,這是在實際應用中通常永遠不會發生的條件下進行測試的。
在某些分析過程中,使用恒定的5V進行上述器件測試。但該測試通常在器件的柵極和漏極相互連接或短路的情況下實施。您可以在數據表本身中輕松獲取此信息,因此此測試沒有什么神秘之處。
上表顯示了示例MOSFET的閾值電平和相關測試條件。
對于所需的應用,設計人員可能會擔心稱為“感應”柵極電壓的可怕情況,這可能是一個嚴重的問題,例如在同步降壓轉換器的低側MOSFET中。
如前所述,這里我們也必須明白,跨越閾值
V總務(千)級別可能不會強制設備進入擊穿擊穿狀態。該電平實際上告訴設計人員MOSFET剛剛開始導通的閾值,而不是完全結束的情況。
建議在MOSFET處于關斷狀態時,柵極電壓保持在V以下總務(千)水平,以防止電流泄漏。但是,在打開它時,可以簡單地忽略此參數。
傳遞特性曲線
您將在 MOSFET 數據手冊中找到另一個名為傳輸特性的曲線圖,解釋其響應柵極電壓增加時的導通行為。
確切地說,這可能與柵極電壓和器件外殼溫度的電流變化分析更相關。在此分析中,VDS保持在固定電平但高電平,約為 15V,數據表規格中可能未顯示。
如果我們參考上圖所示的曲線,我們會意識到,對于20 A漏極電流,3.2 V柵源電壓可能不夠。
這種組合將導致VDS為10 V,典型功耗為200瓦。
傳輸曲線數據對于在線性范圍內工作的MOSFET很有用,但曲線數據對于開關應用中的MOSFET可能不太重要。
輸出特性
顯示MOSFET完全導通條件的實際數據的曲線稱為輸出曲線,如下所示:
在這里,對于各種級別的 V一般事務人員MOSFET的正向壓降作為電流的函數進行測量。器件工程師使用此曲線數據來確認柵極電壓的最佳水平。
對于確保 MOSFET 完全導通的每個柵極電壓水平
[RDS(開啟)],我們得到一系列壓降(V一般事務人員)在漏極至源極兩端,與漏極電流具有嚴格的線性響應。范圍從零開始,向上。
對于較低的柵極電壓(V一般事務人員),當漏極電流增加時,我們發現曲線失去了線性響應,穿過“膝蓋”,然后變平。
上述曲線細節為我們提供了2.5 V至3.6 V柵極電壓范圍內的完整輸出特性。
MOSFET用戶通常可以將其視為線性函數。然而,相比之下,器件工程師可能更愿意更多地關注圖中的灰色區域,該區域表示施加柵極電壓的電流飽和區域。
它揭示了已觸及飽和點或飽和極限的當前數據。此時,如果 VDS增加將導致電流略有增加,但漏極電流的小幅增加可能導致更大的VDS.
對于增加的柵極電壓電平,使MOSFET能夠完全導通,綠色陰影區域將向我們顯示該過程的工作點,指示為阻性(或歐姆)區域。
請注意,此處的曲線僅顯示典型值,不包括任何最小或最大邊界。
在較低的環境溫度下工作時,該器件將需要更高的柵極電壓才能保持在電阻區域,該區域可能會以0.3%/°C的速度上升。
什么是MOSFET RDS(on)
當器件工程師必須遇到MOSFET的輸出特性時,他們基本上希望了解RDS (打開)的器件參照具體操作條件。
通常,這可以是 V 的混合一般事務人員和我DS穿過曲線偏離直線的區域,進入灰色陰影指示的部分。
考慮到上面討論的示例,柵極電壓為3.1
V,初始電流為10安培,工程師將知道RDS(開啟)將傾向于大于估計值。話雖如此,我們是否期望MOSFET制造商提供這方面的近似數據?
兩個數量 VDS和我DS在曲線中很容易得到,它可能變得太誘人,并且經常屈服于,在得到的R處除以兩個量DS(開啟)。
但是,遺憾的是我們沒有RDS(開啟)用于此處的評估。它似乎不適用于上述情況,因為對于代表電阻的負載線的任何部分,必須以線性方式穿過原點。
至少,這將保證對實際工作的任何理解在原點(0,0)得到維持。
柵極電荷曲線特性
正是柵極電荷曲線數據實際上為我們提供了有關MOSFET導通規格的真正提示,如下圖所示:
盡管上述曲線是所有MOSFET數據手冊的標準曲線,但MOSFET用戶很少理解基本指示。
此外,MOSFET布局(如溝槽和屏蔽柵極)的現代進步要求修改數據尋址。
例如,名為“柵極電荷”的規范本身可能略有誤導。
曲線的線性和分割部分看起來不像對電容器充電的電壓,無論它可能表現出多少非線性值。
確切地說,柵極電荷曲線表示兩個非并聯電容器的相關數據,具有不同的幅度并承載不同的電壓電平。
理論上,MOSFET柵極端子的功能電容由以下公式定義:
C國際空間站= CGS+ CGD
其中 C國際空間站= 柵極電容,CGS= 柵極源極電容,CGD= 柵極漏極電容
盡管測量該單位并在數據表中指定似乎相當簡單,但必須注意的是,術語C國際空間站實際上不是真正的電容。
認為MOSFET僅通過施加在“柵極電容C”上的電壓導通可能是完全錯誤的。國際空間站“。
如上圖所示,在MOFET導通之前,柵極電容不帶電,但柵極漏極C處的電容不帶電GD具有需要消除的負電荷。
這兩種電容都具有非線性性質,并且它們的值隨著施加電壓的變化而變化很大。
因此,需要注意的是,決定其開關特性的是MOSFET的存儲電荷,而不是特定電壓電平的電容值。
由于構成C國際空間站具有不同的物理屬性,它們往往會以不同的電壓電平充電,要求MOSFET的導通過程也要經歷兩個階段。
對于電阻和電感應用,精確順序可能不同,但通常大多數實際負載都是高感性負載,可以如下圖所示模擬該過程:
柵極充電時序
MOSFET 的柵極電荷時序可以從下圖中研究:
可以通過以下解釋來理解:
T0 - T1: CGS從零到V 的電荷總務(千).VDS或我DS不進行任何更改。
T1-T2,MOSFET 中的電流開始上升,以響應來自 V 的柵極電壓增加總務(千)高達平臺電壓V全科醫生。
在這里,IDS增加并從0 V達到滿載電流,盡管VDS保持不受影響且保持不變。伴電荷通過C的積分形成GS從 0 V 到 V全科醫生和
QGS在數據表中給出。
T2 - T3:觀察T2和T3之間的平坦區域,它被稱為米勒高原。
在開關接通之前,CGD充電并保持至電源電壓 V在,直到我DS在T2處達到峰值I(負載)。
周期T2和T3之間的時間,負電荷(V在, w全科醫生) 轉換為相對于平臺電壓 V 的正電荷全科醫生。
這也可以可視化為漏極電壓從V下降在幾乎為零。
所涉及的電荷等于大約 CGD從 0 到 V 的積分在,顯示為 QGD在數據表中。
在 T3 - T4 期間,柵極電壓從 V 爬升全科醫生到 V一般事務人員,在這里我們發現 V 幾乎沒有任何變化DS和我DS,但有效的
RDS(開啟)隨著柵極電壓的升高而略有下降。在高于 V 的某個電壓電平下全科醫生,為制造商提供足夠的信心來固定有效 R 的上限DS(開啟)。
用于感性負載
MOSFET溝道中由于感性負載引起的電流上升需要在電壓開始下降之前完成。
在平臺開始時,MOSFET 處于關斷狀態,在漏極至源極兩端存在高電流和電壓的情況下。
在時間T2和T3之間,電荷QGD應用于MOSFET的柵極,其中MOSFET特性在最后從恒流轉換為恒阻模式。
發生上述轉換時,柵極電壓V沒有明顯變化全科醫生發生。
這就是為什么將MOSFET導通過程與任何特定水平的柵極電壓相關聯絕不是一個明智的主意。
關斷過程可能也是如此,它要求以相反的順序從MOSFET的柵極消除相同的兩個電荷(如前所述)。
場效應管開關速度
雖然QGS加 QGD共同確保 MOSFET 將完全導通,它不會告訴我們這將以多快的速度發生。
電流或電壓的切換速度取決于柵極電荷元件的施加或移除速率。這也稱為柵極驅動電流。
雖然快速上升和下降速率可確保MOSFET中的開關損耗更低,但這些損耗也可能引起與峰值電壓增加、振蕩和電磁干擾相關的系統級復雜問題,尤其是在感性負載的關斷時刻。
上述圖7所示的線性下降電壓設法取Cgd的恒定值,這在實際應用中幾乎不會發生在MOSFET上。
準確地說,柵極漏極電荷CGD對于高壓超結MOSFET,如SiHF35N60E表現出顯著的高線性響應,如下圖所示:
存在于 C 值中的變異范圍.rss(反向轉換)在初始200
V內大于1:100.因此,電壓相對于柵極電荷曲線的實際下降時間看起來更像圖7中紅色的虛線。
在較高的電壓下,電荷的上升和下降時間以及它們的等效dV/dt值更依賴于C的值.rss,而不是表示為 Q 的整條曲線的積分GD.
當用戶想要比較不同設計環境中的MOSFET規格時,他們應該意識到MOSFET的Q值只有一半GDVALUE不一定具有兩倍的開關速率快兩倍或開關損耗降低50%的特點。
這是因為,根據CGD曲線及其幅度 在較高電壓下,MOSFET很可能在數據手冊中具有低Qgd,但不會增加開關速度。
總結
在實際實現中,MOSFET的導通是通過一系列過程實現的,而不是通過預定的參數進行的。
電路設計人員必須停止想象V總務(千),或者電壓電平可用作柵極電壓,用于將 MOSFET 輸出從高 R 切換到低 RDS(開啟)。
考慮擁有R可能是徒勞的DS(開啟)低于或高于特定的柵極電壓電平,因為柵極電壓電平本質上并不決定 MOSFET 的導通。而是收費QGS和
QGD引入執行作業的 MOSFET。
您可能會發現柵極電壓上升到V以上總務(千)和 V全科醫生在充電/放電過程中,但這些并不那么重要。
同樣,今天的MOSFET打開或關閉的速度可能是Q的復雜函數GS或 QGD.
為了評估 MOSFET 開關速度,尤其是先進的 MOSFET,設計人員必須對器件的柵極電荷曲線和電容特性進行全面研究。
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