Pojemność bramki a ładunek bramki w n-kanałowych tranzystorach polowych i jak obliczyć rozproszenie mocy podczas ładowania / rozładowywania bramki

Korzystam ze sterownika MOSFET ( TC4427A ), który może naładować pojemność bramki 1nF za około 30ns.

Podwójnego N-CH MOSFET mi stosując (Si4946EY) ma ładunek bramki równą 30nC (max) na FET. Obecnie rozważam tylko jeden, ponieważ oba na kości są identyczne. Jadę bramą do 5 V. (Jest to płeć na poziomie logicznym).

Czy to oznacza, że ​​mogę zastosować Q = CV do obliczenia pojemności? C = 30nC / 5V = 6nF. Więc mój kierowca może całkowicie włączyć bramę za około 180ns.

Czy moja logika jest poprawna?

Rezystancja bramki MOSFET jest określona na maks. 3,6 oma. Czy będzie to miało wpływ na powyższe obliczenia? Sterownik ma rezystancję 9 omów.

Czy jest jakaś znacząca różnica, kiedy brama jest rozładowana zamiast naładowana? (wyłączając płód)

Na marginesie pytanie, podczas 180ns płód nie jest w pełni włączony. Tak więc Rds (niezupełnie ON) jest dość wysoki. Jak obliczyć, ile mocy rozproszenie nastąpi w tym czasie?

Jak mówi Endolith, musisz przyjrzeć się warunkom parametrów. 30nC to maksymalna wartość dla = 10 V. Wykres na stronie 3 arkusza danych mówi zwykle 10nC @ 5V, a następnie C = = 2nF. Kolejny wykres również na stronie 3 podaje wartość 1nF dla . Rozbieżność polega na tym, że pojemność nie jest stała (dlatego podają wartość ładunku). 10 n $V_{GS}$ CIS$\frac{10nC}{5V}$$C_{ISS}$

Opór bramy rzeczywiście będzie miał wpływ. Stała czasowa bramki będzie wynosić (9 + 3.6 ) 2nF = 25ns, zamiast 9 2nF = 18ns.Ω × Ω $\Omega$$\Omega$$\times$$\Omega \times$

Teoretycznie będzie niewielka różnica między włączaniem i wyłączaniem, ponieważ po wyłączeniu zaczynasz od wyższej temperatury. Ale jeśli czas między włączaniem i wyłączaniem jest niewielki (tutaj duży margines, mówimy o dziesiątkach sekund) temperatura jest stała, a charakterystyka będzie mniej więcej symetryczna.

O twoje pytanie poboczne. Zwykle nie jest to podawane w arkuszach danych, ponieważ prąd będzie zależeć od , i temperatury, a wykresy 4-wymiarowe nie działają dobrze w dwóch wymiarach. Jedynym rozwiązaniem jest zmierzenie tego. Jednym ze sposobów jest rejestrowanie i między wyłączeniem a włączeniem oraz pomnożenie obu i zintegrowanie. To przejście zwykle odbywa się szybko, więc prawdopodobnie będziesz w stanie zmierzyć tylko kilka punktów, ale to powinno dać ci dobre przybliżenie. Wolniejsze przejście spowoduje więcej punktów, ale temperatura będzie inna, a zatem wynik będzie mniej dokładny. V D S I D V D $V_{GS}$$V_{DS}$$I_D$$V_{DS}$

Specyfikacja w arkuszu danych mówi V _GS = 10 V, więc nie. Będzie to C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Ale to absolutne maksimum.

Zamiast pojedynczej wartości pojemności określają pojemność w postaci wykresu na stronie 3. Znaczenie c _is c _rss i _css podano w tym dokumencie na rysunku 5. Myślę, że najbardziej zależy ci na _css , który wynosi około 900 pF zgodnie z tabelą.

Odnosząc się do tej notatki aplikacji Fairchild na temat przełączania MOSFET , tej notatki Infineon dotyczącej godności , tej notatki IR i mojego własnego doświadczenia:

$Q_g$ określa całkowity ładunek bramki, który składa się z niektórych skupionych elementów:

• $Q_{gs}$ (gate-to-source)
• $Q_{gd}$ (bramka do odpływu)

Jeśli chodzi o obliczenie, ile mocy jest rozpraszane przy włączaniu MOSFETU, możesz użyć zależności Q = CV, aby obliczyć efektywną pojemność bramki. Producent często publikuje również tę liczbę jako .$C_{iss}$

Notatka IR całkiem ładnie podsumowuje stratę przełączania. W MOSFET zaczyna przewodzić ( przyspiesza, a pozostaje wysoki). Podczas MOSFET zostaje nasycony ( spada). Najlepszym sposobem na sprawdzenie straty jest, jak wcześniej sugerowano, pomiar i . W tym artykule EETimes opisano, jak matematycznie obliczyć stratę przełączania dla różnych warunków, których nie będę tutaj omawiać . I D V D S Q g d V D S V D S I $Q_{gs}$$I_D$$V_{DS}$$Q_{gd}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

Rezystancja bramki MOSFET jest dodawana z dowolną rezystancją zewnętrzną potrzebną do określenia prądu ładowania. W twoim przypadku, ponieważ ładujesz tylko do 5 V, nie zmaksymalizujesz obecnych możliwości swojego sterownika.

Zwalnianie bramki jest względnie identyczne jak ładowanie, o ile progi pozostają takie same. Jeśli próg rozruchu wynosi 4 V, a ładujesz do 5 V, możesz wyobrazić sobie, że będzie niewielka asymetria w czasie włączenia w stosunku do czasu wyłączenia, ponieważ rozładowujesz tylko 1 V, aby uzyskać wyłączenie vs. 4V, aby uzyskać włączenie.

Jak wspomniano we wcześniejszym komentarzu, dość często obserwuje się sieci rezystorów i diod w obwodach napędowych MOSFET, aby dostosować prądy włączania i wyłączania ładowania.

rozpraszanie mocy podczas włączania i wyłączania

Można by pomyśleć, że tranzystor nagrzewający się podczas tych przemian ma coś wspólnego z wewnętrznymi napięciami i prądami oraz pojemnościami tranzystora.

W praktyce, o ile wystarczająco szybko włączasz lub wyłączasz przełącznik, wewnętrzne szczegóły przełącznika są nieistotne. Jeśli wyciągniesz przełącznik całkowicie z obwodu, inne elementy w obwodzie mają nieuchronnie pewną pasożytniczą pojemność C między dwoma węzłami, które włącza i wyłącza przełącznik. Po włożeniu dowolnego przełącznika do tego obwodu, przy wyłączonym wyłączniku, pojemność ta ładuje się do pewnego napięcia V, przechowując CV ^ 2/2 watów energii.

Bez względu na to, jaki to jest przełącznik, po włączeniu go wszystkie CV ^ 2/2 waty energii są rozpraszane przez ten przełącznik. (Jeśli zmienia się bardzo powoli, być może nawet więcej energii jest rozpraszane w tym przełączniku).

Aby obliczyć energię rozproszoną w przełączniku mosfet, znajdź całkowitą pojemność zewnętrzną C, do której jest on podłączony (prawdopodobnie głównie pasożytniczy), oraz napięcie V, które ładują zaciski przełącznika tuż przed włączeniem przełącznika. Energia rozpraszana w dowolnym przełączniku jest

• E_turn_on = CV / 2

przy każdym włączeniu.

Energia rozproszona w opornościach napędzających bramę, którą jest FET

• E_gate = Q_g V.

gdzie

• V = wahanie napięcia bramki (z twojego opisu jest to 5 V)
• Q_g = ilość ładunku, którą przepychasz przez styk bramki, aby włączyć lub wyłączyć tranzystor (z arkusza danych FET, wynosi około 10 nC przy 5 V)

Ta sama energia E_gate jest rozpraszana podczas włączania i ponownie podczas wyłączania.

Część tej energii E_gate jest rozpraszana w tranzystorze, a część jest rozpraszana w układzie sterownika FET - zwykle używam analizy pesymistycznej, która zakłada, że cała ta energia jest rozpraszana w tranzystorze, a także cała ta energia jest rozpraszana w sterowniku FET.

Jeśli przełącznik wyłącza się wystarczająco szybko, energia rozpraszana podczas wyłączania jest zwykle nieznaczna w porównaniu z energią rozpraszaną podczas włączania. Można umieścić najgorszy przypadek związany (dla obciążeń wysoce indukcyjnych) z

• E_turn_off = IVt (najgorszy przypadek)

gdzie

• Jestem prądem przez przełącznik tuż przed wyłączeniem,
• V to napięcie na przełączniku tuż po wyłączeniu, oraz
• t to czas przełączania od włączenia do wyłączenia.

Zatem moc rozproszona w płodzie jest

• P = przełączanie P + P_on

gdzie

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * częstotliwość przełączania
• częstotliwość_ przełączania to liczba razy na sekundę, kiedy cykl przełączasz
• P_on = IRd = moc rozpraszana, gdy przełącznik jest włączony
• I jest średnim prądem, gdy przełącznik jest włączony,
• R jest opornością FET na stan, i
• d jest ułamkiem czasu, w którym przełącznik jest włączony (dla szacunków najgorszego przypadku należy użyć d = 0,999).

Wiele mostków H wykorzystuje (zwykle niechcianą) diodę ciała jako diodę cofania, aby wychwycić indukcyjny prąd cofania. Jeśli to zrobisz (zamiast używać zewnętrznych diod Schottky'ego), musisz także dodać moc rozproszoną w tej diodzie.