Compreendendo o processo de ativação do MOSFET

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Um processo de ativação do MOSFET calculado corretamente garante que o dispositivo seja LIGADO com eficiência ideal.

Ao projetar circuitos baseados em MOSFET, você deve estar se perguntando qual é a maneira correta de ligar um MOSFET. Ou simplesmente qual é a tensão mínima que deve ser aplicada na porta / fonte do dispositivo para ligá-lo perfeitamente?



Embora para muitos sistemas digitais isso possa não ser um problema, os sistemas 5V, como DSPs, FPGAs e Arduinos exigem aumento de seus resultados para uma condição de comutação ideal para o MOSFET conectado.

E, nessas situações, o projetista começa a examinar as especificações do MOSFET para obter os dados de tensão de limiar. O projetista assume que o MOSFET ligaria e mudaria de estado quando este nível de limite fosse ultrapassado.



No entanto, isso pode não ser tão simples quanto parece.

O que é Tensão Limiar VGS (th)

Em primeiro lugar, devemos perceber que a tensão limite, denotada como VGS (th)não é para os projetistas de circuitos se preocupar.

Para ser preciso, é a tensão da porta que faz com que a corrente de drenagem do MOSFET ultrapasse um nível de limite de 250 μA, e isso é testado em condições que normalmente nunca aconteceriam em aplicações práticas.

Durante certas análises, um 5 V constante é usado para o teste do dispositivo mencionado acima. Mas esse teste é normalmente implementado com o gate e o dreno do dispositivo conectados ou em curto um com o outro. Você pode obter facilmente essas informações na própria folha de dados, portanto, não há nada de misterioso sobre este teste.

Níveis de limiar MOSFET e as condições de teste relevantes

A tabela acima indica os níveis de limite e as condições de teste relevantes para um MOSFET de exemplo.

Para uma aplicação desejada, o designer pode estar preocupado com uma situação temida conhecida como tensão de porta 'induzida', que pode ser um problema sério, por exemplo, em um MOSFET de lado baixo de conversor de dólar síncrono .

Conforme discutido anteriormente, aqui também devemos entender que cruzar o limiar VGS (th)nível não pode forçar o dispositivo a funcionar em uma condição de ruptura por disparo. Este nível, na verdade, informa ao designer sobre o limite no qual o MOSFET começa a LIGAR e não é uma situação em que as coisas simplesmente terminam completamente.

Pode ser aconselhável que, enquanto o MOSFET estiver na condição DESLIGADO, a tensão do gate seja mantida abaixo de VGS (th)nível, para evitar vazamento de corrente. Mas ao ligá-lo, este parâmetro pode ser simplesmente ignorado.

Curva de característica de transferência

Você encontrará outro diagrama de curva chamado características de transferência em planilhas de dados MOSFET explicando seu comportamento de ativação em resposta ao aumento da tensão da porta.

Para ser mais preciso, isso pode estar mais relacionado à análise da variação da corrente em relação à tensão da porta e à temperatura da caixa do dispositivo. Nesta análise, o VDSé mantido em um nível fixo, mas alto, em torno de 15 V, o que pode não ser revelado nas especificações da ficha técnica.

Curva de característica de transferência MOSFET

Se nos referirmos à curva como mostrado acima, percebemos que para a corrente de drenagem de 20 Amp, a tensão porta-fonte de 3,2 V pode não ser adequada.

A combinação resultaria em um VDS de 10 V normalmente com dissipação de 200 watts.

Os dados da curva de transferência podem ser úteis para MOSFETs operados na faixa linear, no entanto, os dados da curva podem ter menos significância para MOSFETs em aplicações de comutação.

Características de saída

A curva que revela os dados reais sobre a condição totalmente LIGADA de um MOSFET é conhecida como a curva de saída, conforme mostrado abaixo:

Características de saída do MOSFET

Aqui, para os vários níveis de VGSa queda direta do MOSFET é medida em função da corrente. Os engenheiros de dispositivos usam esses dados de curva para confirmar o nível ideal de tensão da porta.

Para cada nível de tensão de porta que garante uma ligação completa do MOSFET [RDS (ligado)], obtemos uma gama de quedas de tensão (VGS) através do dreno para a fonte tendo uma resposta estritamente linear com a corrente de dreno. O intervalo começa de zero e para cima.

Para tensões de porta mais baixas (VGS), quando a corrente de dreno é aumentada, encontramos a curva perdendo a resposta linear, movendo-se através do 'joelho' e depois ficando plana.

Os detalhes da curva acima nos fornecem as características completas de saída para uma faixa de tensões de porta de 2,5 V a 3,6 V.

Os usuários de MOSFET normalmente podem considerar isso como uma função linear. No entanto, em contraste, os engenheiros de dispositivos podem preferir prestar mais atenção à região cinza do gráfico, que sugere a região de saturação da corrente para a tensão aplicada da porta.

Ele revela os dados atuais que atingiram o ponto de saturação ou o limite de saturação. Neste ponto, se o VDSé aumentado resultará em um aumento marginal na corrente, mas um pequeno aumento na corrente de drenagem pode levar a um V muito maiorDS.

Para níveis de tensão de porta aumentados, que permitem que o MOSFET ligue totalmente, a área sombreada em verde nos mostrará o ponto operacional do processo, indicado como região resistiva (ou ôhmica).

Observe que as curvas aqui mostram apenas os valores típicos e não incluem nenhum limite mínimo ou máximo.

Ao operar em temperaturas ambientes mais baixas, o dispositivo exigirá uma tensão de porta mais alta para permanecer na região resistiva, que pode subir a uma taxa de 0,3% / ° C.

O que é MOSFET RDS (on)

Quando os engenheiros de dispositivos tiverem que encontrar as características de saída do MOSFET, eles irão essencialmente querer aprender sobre o RDS (ligado)do dispositivo com referência às condições operacionais específicas.

Geralmente, isso pode ser uma mistura de VGSe euDSna área onde a curva se desviou da linha reta para a parte indicada pelo tom cinza.

Considerando o exemplo discutido acima, uma tensão de porta de 3,1 V com uma corrente inicial de 10 Amps, os engenheiros saberão que o RDS (ligado)tenderá a ser maior do que o valor estimado. Dito isso, esperamos que o fabricante do MOSFET forneça dados aproximados a respeito disso?

Com ambas as quantidades VDSe euDSprontamente obtido na curva pode se tornar muito atraente, e muitas vezes é rendido, dividir as duas quantidades no R resultanteDS (ligado).

No entanto, infelizmente, não temos um RDS (ligado)para a avaliação aqui. Parece não estar disponível para as situações mencionadas, pois para qualquer seção do linha de carga representar uma resistência deve atravessar a origem de forma linear.

Dito isso, pode ser possível simular a linha de carga de forma agregada como uma resistência não linear.

No mínimo, isso garantirá que qualquer compreensão do trabalho prático seja sustentada na origem (0, 0).

Características da curva de carga do portão

São os dados da curva de carga da porta que realmente nos dão uma dica real sobre as especificações de ativação do MOSFET, conforme mostrado na figura abaixo :

Características da curva de carga do portão

Embora a curva acima seja uma inclusão padrão em todas as planilhas de dados do MOSFET, as indicações subjacentes raramente são compreendidas pelo usuário do MOSFET.

Além disso, os avanços modernos nos layouts do MOSFET, como trincheiras e portões blindados, exigem um endereçamento revisado dos dados.

Por exemplo, a especificação chamada 'gate-charge' pode parecer um pouco enganosa por si só.

As seções lineares e divididas da curva não aparecem como tensão carregando um capacitor, independentemente de quanto valor não linear ele possa exibir.

Para ser mais preciso, a curva de carga da porta significa dados associados de dois capacitores não paralelos, com magnitudes diferentes e com níveis de tensão diferentes.

Em teoria, a capacitância funcional testemunhada a partir do terminal da porta MOSFET é definida com a equação:

Ciss= Cgs+ Cgd

onde Ciss= capacitância da porta, Cgs= capacitância da fonte da porta, Cgd= capacitância de dreno de porta

Embora possa parecer bastante simples medir esta unidade e especificar nas folhas de dados, deve-se notar que o termo Cissnão é realmente uma capacitância real.

Pode ser completamente errado pensar que um MOSFET está ligado meramente por meio de uma tensão aplicada na 'capacitância da porta Ciss'.

Diagrama de descarga de carga de capacitância de portão

Conforme indicado na figura acima, pouco antes de um MOFET ligar, a capacitância da porta não tem carga, mas a capacitância na porta-dreno Cgdpossui uma carga negativa que deve ser eliminada.

Ambas essas capacitâncias têm uma natureza não linear e seus valores variam amplamente conforme as tensões aplicadas variam.

Portanto, é importante notar que são as cargas armazenadas do MOSFET que determinam suas características de chaveamento, e não o valor de capacitância para um nível de tensão específico.

Uma vez que os dois elementos de capacitância que constituem Cisspossuem atributos físicos diferentes, eles tendem a ser carregados com níveis de tensão diferentes, exigindo que o processo de ativação do MOSFET também passe por dois estágios.

A sequência precisa pode ser diferente para aplicações resistivas e indutivas, mas normalmente a maioria das cargas práticas sendo altamente indutivas, o processo pode ser simulado conforme ilustrado na figura a seguir:

MOSFET liga a resposta para carga indutiva

Sequência de tempo de carga do portão

As sequências de temporização de carga da porta do MOSFET podem ser estudadas a partir do diagrama abaixo:

Tingimento de carga do portão

Pode ser entendido com a seguinte explicação:

  1. T0 - T1: Cgsencargos de zero a VGS (th)... VDSou euDSnão passa por nenhuma alteração.
  2. T1-T2, a corrente começa a aumentar no MOSFET em resposta ao aumento da tensão da porta de VGS (th)até a tensão de platô Vgp.
  3. Aqui, o IDS aumenta e atinge a corrente de carga total de 0 V, embora VDSpermanece inalterado e constante. A carga associada é formada por meio da integral de Cgsde 0 V a Vgp, e Qgsfornecidas nas fichas técnicas.
  4. T2 - T3: Observe a região plana entre T2 e T3, é chamado de platô de Miller.
  5. Antes de ligar, Cgdcarrega e mantém até a tensão de alimentação VNO, até euDSatinge o valor de pico I (carga) em T2.
  6. O tempo entre o período T2 e T3, a carga negativa (VNO- Vgp) é convertido em carga positiva em relação à tensão de platô Vgp.
  7. Isso também pode ser visualizado como a queda da tensão de dreno de VNOpara quase zero.
  8. A carga envolvida é igual a cerca de Cgdintegral de 0 a Vno, que é mostrado como Qgdem fichas técnicas.
  9. Durante T3 - T4, a tensão do portão sobe de Vgppara VGS, e aqui dificilmente encontramos qualquer mudança para VDSe euDS, mas o R eficazDS (ligado)cai ligeiramente à medida que a tensão da porta aumenta. Em algum nível de tensão acima de Vgp, fornece aos fabricantes confiança suficiente para fixar o limite superior do R efetivoDS (ligado).

Para cargas indutivas

O aumento da corrente no canal MOSFET devido a uma carga indutiva precisa ser concluído antes que a tensão comece a cair.

No início do platô, o MOSFET está no estado OFF, na presença de alta corrente e tensão do dreno para a fonte.

Entre o tempo T2 e T3, uma carga Qgdé aplicado à porta do MOSFET, em que a característica do MOSFET se transforma do modo de corrente constante para o modo de resistência constante no final.

Quando a transição acima acontece, nenhuma mudança perceptível na tensão da porta Vgpacontece em.

Esta é a razão pela qual nunca é uma idéia sábia relacionar um processo de ativação do MOSFET com qualquer nível particular de tensão de porta.

O mesmo pode ser verdadeiro para o processo de desligamento, que exige que as mesmas duas cargas (discutidas anteriormente) sejam eliminadas da porta do MOSFET na ordem oposta.

Velocidade de comutação MOSFET

Enquanto Qgsmais Qgdjuntos garantem que o MOSFET será ligado totalmente, não nos diz sobre a rapidez com que isso vai acontecer.

A rapidez com que a corrente ou tensão mudará é decidida pela taxa através da qual os elementos de carga na porta são aplicados ou removidos. Isso também é denominado como corrente de acionamento do portão.

Embora uma taxa de aumento e queda rápida garanta perdas de comutação menores em MOSFETs, isso também pode dar origem a complicações de nível de sistema relacionadas a tensões de pico aumentadas, oscilações e interferência eletromagnética, especialmente durante os instantes de desligamento da carga indutiva.

A tensão em queda linear representada na Fig.7 acima consegue obter um valor constante de Cgd, o que dificilmente pode acontecer com os MOSFETs em aplicações práticas.

Para ser preciso, a carga de dreno de porta Cgdpara um MOSFET de superjunção de alta tensão, como SiHF35N60E, exibe uma resposta linear significativamente alta, como pode ser visto na figura a seguir:

Velocidade de comutação MOSFET

A faixa de variação que existe no valor de Crss(transferência reversa) é mais do que 200: 1 dentro dos 100 V. iniciais. Devido a isso, o tempo de queda real da tensão contra a curva de carga da porta parece mais com a linha tracejada mostrada em vermelho na figura 7.

Em tensões mais altas, os tempos de subida e descida das cargas, junto com seus valores dV / dt equivalentes são mais dependentes do valor de Crss, em vez da integral de toda a curva indicada como Qgd.

Quando os usuários desejam comparar as especificações do MOSFET em diferentes ambientes de design, eles devem perceber que o MOSFET com metade do Qgdvalue não apresenta necessariamente uma taxa de comutação duas vezes mais rápida ou 50% menos perdas de comutação.

Isso porque, de acordo com o Cgdcurva e sua magnitude em tensões mais altas, pode ser bem possível para um MOSFET ter um baixo Qgd na folha de dados, mas sem qualquer aumento na velocidade de chaveamento.

Resumindo

Na implementação real, o ON de um MOSFET acontece por meio de uma série de processos, e não com um parâmetro pré-determinado.

Os designers de circuitos devem parar de imaginar que VGS (th), ou os níveis de tensão podem ser usados ​​como a tensão de porta para alternar a saída MOSFET de alto para baixo RDS (ligado).

Pode ser inútil pensar em ter um RDS (ligado)abaixo ou acima de um nível de tensão de porta específico, uma vez que o nível de tensão de porta não decide intrinsecamente a ativação de um MOSFET. Em vez disso, são as cobranças Qgse Qgdintroduzido no MOSFET que executa o trabalho.

Você pode encontrar a tensão da porta subindo acima de VGS (th)e Vgpdurante o processo de carga / descarga, mas não são tão importantes.

Da mesma forma, a rapidez com que o MOSFET de hoje pode LIGAR ou DESLIGAR pode ser uma função complexa de Qgsou Qgd.

Para avaliar as velocidades de chaveamento do MOSFET, especialmente os MOSFETs avançados, o projetista deve realizar um estudo abrangente sobre a curva de carga da porta e a característica de capacitância do dispositivo.

Referência: https://www.vishay.com/




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