正確計(jì)算的 MOSFET 導(dǎo)通過程可確保器件以最佳效率導(dǎo)通。
在設(shè)計(jì)基于 MOSFET 的電路時(shí),您可能想知道打開 MOSFET
的正確方法是什么?或者簡(jiǎn)單地說,應(yīng)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(duì)于許多數(shù)字系統(tǒng)來說,這可能不是問題,但 DSP、FPGA 和 Arduinos 等 5V 系統(tǒng)需要提升其輸出,以便為連接的 MOSFET
提供最佳開關(guān)條件。
在這些情況下,設(shè)計(jì)人員開始查看MOSFET的規(guī)格,以獲得閾值電壓數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)人員假設(shè)MOSFET在超過此閾值電平時(shí)將導(dǎo)通并改變狀態(tài)。
然而,這可能并不像看起來那么簡(jiǎn)單。
什么是閾值電壓V總務(wù)(千)
首先我們必須認(rèn)識(shí)到,閾值電壓,表示為V總務(wù)(千)不是電路設(shè)計(jì)人員該擔(dān)心的。
確切地說,是柵極電壓導(dǎo)致MOSFET的漏極電流超過250 μA的閾值電平,這是在實(shí)際應(yīng)用中通常永遠(yuǎn)不會(huì)發(fā)生的條件下進(jìn)行測(cè)試的。
在某些分析過程中,使用恒定的5V進(jìn)行上述器件測(cè)試。但該測(cè)試通常在器件的柵極和漏極相互連接或短路的情況下實(shí)施。您可以在數(shù)據(jù)表本身中輕松獲取此信息,因此此測(cè)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(guān)測(cè)試條件。
對(duì)于所需的應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員可能會(huì)擔(dān)心稱為“感應(yīng)”柵極電壓的可怕情況,這可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題,例如在同步降壓轉(zhuǎn)換器的低側(cè)MOSFET中。
如前所述,這里我們也必須明白,跨越閾值
V總務(wù)(千)級(jí)別可能不會(huì)強(qiáng)制設(shè)備進(jìn)入擊穿擊穿狀態(tài)。該電平實(shí)際上告訴設(shè)計(jì)人員MOSFET剛剛開始導(dǎo)通的閾值,而不是完全結(jié)束的情況。
建議在MOSFET處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí),柵極電壓保持在V以下總務(wù)(千)水平,以防止電流泄漏。但是,在打開它時(shí),可以簡(jiǎn)單地忽略此參數(shù)。
傳遞特性曲線
您將在 MOSFET 數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到另一個(gè)名為傳輸特性的曲線圖,解釋其響應(yīng)柵極電壓增加時(shí)的導(dǎo)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(guān)。在此分析中,VDS保持在固定電平但高電平,約為 15V,數(shù)據(jù)表規(guī)格中可能未顯示。
如果我們參考上圖所示的曲線,我們會(huì)意識(shí)到,對(duì)于20 A漏極電流,3.2 V柵源電壓可能不夠。
這種組合將導(dǎo)致VDS為10 V,典型功耗為200瓦。
傳輸曲線數(shù)據(jù)對(duì)于在線性范圍內(nèi)工作的MOSFET很有用,但曲線數(shù)據(jù)對(duì)于開關(guān)應(yīng)用中的MOSFET可能不太重要。
輸出特性
顯示MOSFET完全導(dǎo)通條件的實(shí)際數(shù)據(jù)的曲線稱為輸出曲線,如下所示:
在這里,對(duì)于各種級(jí)別的 V一般事務(wù)人員MOSFET的正向壓降作為電流的函數(shù)進(jìn)行測(cè)量。器件工程師使用此曲線數(shù)據(jù)來確認(rèn)柵極電壓的最佳水平。
對(duì)于確保 MOSFET 完全導(dǎo)通的每個(gè)柵極電壓水平
[RDS(開啟)],我們得到一系列壓降(V一般事務(wù)人員)在漏極至源極兩端,與漏極電流具有嚴(yán)格的線性響應(yīng)。范圍從零開始,向上。
對(duì)于較低的柵極電壓(V一般事務(wù)人員),當(dāng)漏極電流增加時(shí),我們發(fā)現(xiàn)曲線失去了線性響應(yīng),穿過“膝蓋”,然后變平。
上述曲線細(xì)節(jié)為我們提供了2.5 V至3.6 V柵極電壓范圍內(nèi)的完整輸出特性。
MOSFET用戶通常可以將其視為線性函數(shù)。然而,相比之下,器件工程師可能更愿意更多地關(guān)注圖中的灰色區(qū)域,該區(qū)域表示施加?xùn)艠O電壓的電流飽和區(qū)域。
它揭示了已觸及飽和點(diǎn)或飽和極限的當(dāng)前數(shù)據(jù)。此時(shí),如果 VDS增加將導(dǎo)致電流略有增加,但漏極電流的小幅增加可能導(dǎo)致更大的VDS.
對(duì)于增加的柵極電壓電平,使MOSFET能夠完全導(dǎo)通,綠色陰影區(qū)域?qū)⑾蛭覀冿@示該過程的工作點(diǎn),指示為阻性(或歐姆)區(qū)域。
請(qǐng)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(huán)境溫度下工作時(shí),該器件將需要更高的柵極電壓才能保持在電阻區(qū)域,該區(qū)域可能會(huì)以0.3%/°C的速度上升。
什么是MOSFET RDS(on)
當(dāng)器件工程師必須遇到MOSFET的輸出特性時(shí),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(wù)人員和我DS穿過曲線偏離直線的區(qū)域,進(jìn)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(jì)值。話雖如此,我們是否期望MOSFET制造商提供這方面的近似數(shù)據(jù)?
兩個(gè)數(shù)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(jīng)常屈服于,在得到的R處除以兩個(gè)量DS(開啟)。
但是,遺憾的是我們沒有RDS(開啟)用于此處的評(píng)估。它似乎不適用于上述情況,因?yàn)閷?duì)于代表電阻的負(fù)載線的任何部分,必須以線性方式穿過原點(diǎn)。
也就是說,可以像非線性電阻一樣以聚合形式模擬負(fù)載線。
至少,這將保證對(duì)實(shí)際工作的任何理解在原點(diǎn)(0,0)得到維持。
柵極電荷曲線特性
正是柵極電荷曲線數(shù)據(jù)實(shí)際上為我們提供了有關(guān)MOSFET導(dǎo)通規(guī)格的真正提示,如下圖所示:
盡管上述曲線是所有MOSFET數(shù)據(jù)手冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)代進(jìn)步要求修改數(shù)據(jù)尋址。
例如,名為“柵極電荷”的規(guī)范本身可能略有誤導(dǎo)。
曲線的線性和分割部分看起來不像對(duì)電容器充電的電壓,無論它可能表現(xiàn)出多少非線性值。
確切地說,柵極電荷曲線表示兩個(gè)非并聯(lián)電容器的相關(guān)數(shù)據(jù),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(guó)際空間站= CGS+ CGD
其中 C國(guó)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(cè)量該單位并在數(shù)據(jù)表中指定似乎相當(dāng)簡(jiǎn)單,但必須注意的是,術(shù)語C國(guó)際空間站實(shí)際上不是真正的電容。
認(rèn)為MOSFET僅通過施加在“柵極電容C”上的電壓導(dǎo)通可能是完全錯(cuò)誤的。國(guó)際空間站“。
如上圖所示,在MOFET導(dǎo)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(fù)電荷。
這兩種電容都具有非線性性質(zhì),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(guān)特性的是MOSFET的存儲(chǔ)電荷,而不是特定電壓電平的電容值。
由于構(gòu)成C國(guó)際空間站具有不同的物理屬性,它們往往會(huì)以不同的電壓電平充電,要求MOSFET的導(dǎo)通過程也要經(jīng)歷兩個(gè)階段。
對(duì)于電阻和電感應(yīng)用,精確順序可能不同,但通常大多數(shù)實(shí)際負(fù)載都是高感性負(fù)載,可以如下圖所示模擬該過程:
柵極充電時(shí)序
MOSFET 的柵極電荷時(shí)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(wù)(千).VDS或我DS不進(jìn)行任何更改。
T1-T2,MOSFET 中的電流開始上升,以響應(yīng)來自 V 的柵極電壓增加總務(wù)(千)高達(dá)平臺(tái)電壓V全科醫(yī)生。
在這里,IDS增加并從0 V達(dá)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(yī)生和
QGS在數(shù)據(jù)表中給出。
T2 - T3:觀察T2和T3之間的平坦區(qū)域,它被稱為米勒高原。
在開關(guān)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(dá)到峰值I(負(fù)載)。
周期T2和T3之間的時(shí)間,負(fù)電荷(V在, w全科醫(yī)生) 轉(zhuǎn)換為相對(duì)于平臺(tái)電壓 V 的正電荷全科醫(yī)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(shù)據(jù)表中。
在 T3 - T4 期間,柵極電壓從 V 爬升全科醫(yī)生到 V一般事務(wù)人員,在這里我們發(fā)現(xiàn) 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(gè)電壓電平下全科醫(yī)生,為制造商提供足夠的信心來固定有效 R 的上限D(zhuǎn)S(開啟)。
用于感性負(fù)載
MOSFET溝道中由于感性負(fù)載引起的電流上升需要在電壓開始下降之前完成。
在平臺(tái)開始時(shí),MOSFET 處于關(guān)斷狀態(tài),在漏極至源極兩端存在高電流和電壓的情況下。
在時(shí)間T2和T3之間,電荷QGD應(yīng)用于MOSFET的柵極,其中MOSFET特性在最后從恒流轉(zhuǎn)換為恒阻模式。
發(fā)生上述轉(zhuǎn)換時(shí),柵極電壓V沒有明顯變化全科醫(yī)生發(fā)生。
這就是為什么將MOSFET導(dǎo)通過程與任何特定水平的柵極電壓相關(guān)聯(lián)絕不是一個(gè)明智的主意。
關(guān)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(gè)電荷(如前所述)。
場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)速度
雖然QGS加 QGD共同確保 MOSFET 將完全導(dǎo)通,它不會(huì)告訴我們這將以多快的速度發(fā)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(qū)動(dòng)電流。
雖然快速上升和下降速率可確保MOSFET中的開關(guān)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(guān)的系統(tǒng)級(jí)復(fù)雜問題,尤其是在感性負(fù)載的關(guān)斷時(shí)刻。
上述圖7所示的線性下降電壓設(shè)法取Cgd的恒定值,這在實(shí)際應(yīng)用中幾乎不會(huì)發(fā)生在MOSFET上。
準(zhǔn)確地說,柵極漏極電荷CGD對(duì)于高壓超結(jié)MOSFET,如SiHF35N60E表現(xiàn)出顯著的高線性響應(yīng),如下圖所示:
存在于 C 值中的變異范圍.rss(反向轉(zhuǎn)換)在初始200
V內(nèi)大于1:100.因此,電壓相對(duì)于柵極電荷曲線的實(shí)際下降時(shí)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(shí)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(dāng)用戶想要比較不同設(shè)計(jì)環(huán)境中的MOSFET規(guī)格時(shí),他們應(yīng)該意識(shí)到MOSFET的Q值只有一半GDVALUE不一定具有兩倍的開關(guān)速率快兩倍或開關(guān)損耗降低50%的特點(diǎn)。
這是因?yàn)椋鶕?jù)CGD曲線及其幅度 在較高電壓下,MOSFET很可能在數(shù)據(jù)手冊(cè)中具有低Qgd,但不會(huì)增加開關(guān)速度。
總結(jié)
在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中,MOSFET的導(dǎo)通是通過一系列過程實(shí)現(xiàn)的,而不是通過預(yù)定的參數(shù)進(jìn)行的。
電路設(shè)計(jì)人員必須停止想象V總務(wù)(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?yàn)闁艠O電壓電平本質(zhì)上并不決定 MOSFET 的導(dǎo)通。而是收費(fèi)QGS和
QGD引入執(zhí)行作業(yè)的 MOSFET。
您可能會(huì)發(fā)現(xiàn)柵極電壓上升到V以上總務(wù)(千)和 V全科醫(yī)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(guān)閉的速度可能是Q的復(fù)雜函數(shù)GS或 QGD.
為了評(píng)估 MOSFET 開關(guān)速度,尤其是先進(jìn)的 MOSFET,設(shè)計(jì)人員必須對(duì)器件的柵極電荷曲線和電容特性進(jìn)行全面研究。
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