Jak zmierzyć pojemność bramki?

Czy istnieje skuteczny sposób bezpośredniego pomiaru pojemności bramki MOSFET-a mocy, jak powiedzmy IRF530N?

Sposób, w jaki zachowuje się mój obwód, wskazywałby, że efektywna pojemność bramki może być podwojona lub większa od wartości podanej w arkuszu danych, co moją stabilność wzmacniacza poprzez obniżenie częstotliwości wzmacniacza + pole.C i s $R_O$$C_{iss}$

Oto schemat obwodu na wypadek, gdyby to pomogło, ale naprawdę interesuje mnie ogólny przypadek urządzenia testowego, które mogę podłączyć, wbić tam dowolny MOSFET TO-220 i obliczyć efektywną pojemność ze śladu zasięgu lub coś w tym rodzaju tak.

Czy istnieje praktyczny sposób na użyteczny pomiar pojemności wejściowej MOSFET na stole warsztatowym?

Raport końcowy

Obie odpowiedzi dostarczyły kluczowych informacji. Patrząc wstecz, myślę, że krótka odpowiedź na moje bezpośrednie pytanie brzmiałaby: „Jak zmierzyć pojemność bramki? Przy wielu różnych kombinacjach napięć bramki i drenażu! ” :)

Co stanowi dla mnie wielki wgląd: MOSFET nie ma pojedynczej pojemności. Myślę, że potrzebujesz co najmniej dwóch wykresów, aby dobrze zacząć od opisu zakresów, i jest co najmniej jeden warunek, w którym pojemność może być znacznie większa niż podana wartość .$C_{iss}$

Jeśli chodzi o mój obwód, dokonałem pewnych ulepszeń, wyłączając IRF530N z IRFZ24N mającym mniej niż połowę podanej wartości . Ale choć pokonało to pierwszą niestabilność, następujące testy, które włączyły, wykazały pełną oscylację przy wyższych prądach.$C_{iss}$

Doszedłem do wniosku, że muszę dodać stopień wzmacniacza między wzmacniaczem operacyjnym a MOSFET, prezentując bardzo niski efektywny opór na pojemność wejściową MOSFET i napędzając biegun, który tworzy on znacznie powyżej częstotliwości 0dB wzmacniacza operacyjnego. W oryginalnym poście nie wspomniano o tym, że potrzebuję dość przyzwoitej prędkości, powiedzmy 1? S krokowej odpowiedzi, więc zastosowanie ciężkiej kompensacji do wzmacniacza operacyjnego w celu osiągnięcia stabilności nie jest wykonalną opcją; po prostu poświęciłby za dużo przepustowości.

Ta odpowiedź nie dotyczy sposobu pomiaru FET , ponieważ nie ma w tym żadnej realnej wartości. Ponieważ pojemność jest tak ważnym parametrem FET, producenci dostarczają dane pojemności na każdym arkuszu danych, które są ostateczne w prawie każdej sytuacji. (Jeśli znajdziesz arkusz danych, który nie zawiera pełnych danych na temat pojemności, nie używaj tej części). Biorąc pod uwagę dane w arkuszu danych, próba samodzielnego zmierzenia pojemności bramki jest trochę jak zrobienie zdjęcia Yosemite podczas gdy Ansel Adams poda ci zdjęcie, które zrobił.$C_{\text{iss}}$

Warto zrozumieć cechy , co one oznaczają i jak wpływają na nie topologia obwodów.$C_{\text{iss}}$

Fakty na temat , które już znasz$C_{\text{iss}}$

• C gs C $C_{\text{iss}}$ = +$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$
• $C_{\text{gs}}$ jest prawie stałą wartością, przeważnie niezależną od napięć roboczych.
• $C_{\text{gs}}$ nie jest związany i nie ma związku z efektem Millera.
• V $C_{\text{gd}}$ jest silnie odwrotnie zależny od i może być łatwo zmieniany o rząd wielkości w całym zakresie napięcia roboczego.$V_{\text{ds}}$
• $C_{\text{gd}}$ jest pasożytniczą przyczyną efektu Millera.

Interpretacja tych pozornie prostych, ale subtelnych faktów może być trudna i myląca.

Dzikie i bezpodstawne roszczenia dotyczące - dla niecierpliwych$C_{\text{iss}}$

Efektywna wartość , w jaki sposób jest ona manifestowana, zależy od topologii obwodu lub tego, w jaki sposób i do czego podłączony jest FET.$C_{\text{iss}}$

• Kiedy tranzystor polowy jest podłączony w obwodzie z impedancją w źródle, ale bez impedancji w drenu, co oznacza, że ​​dren jest podłączony do zasadniczo idealnego napięcia, jest zminimalizowane. praktycznie zniknie, a jego wartość zostanie podzielona przez transkonduktancję FET . To powoduje, że dominuje pozorną wartość . Czy jesteś sceptyczny wobec tego roszczenia? Dobrze, ale nie martw się, później okaże się, że to prawda. C gs g fs C gd C $C_{\text{iss}}$$C_{\text{gs}}$$g_{\text{fs}}$$C_{\text{gd}}$$C_{\text{iss}}$

• Kiedy tranzystor polowy jest podłączony w obwodzie z impedancją w odpływie i zerową impedancją w źródle, jest zmaksymalizowane. Pełna wartość będzie widoczna, a zostanie pomnożona przez (i impedancję drenażu). Zatem zdominuje (ponownie), ale tym razem, w zależności od natury impedancji w obwodzie drenu, może być niewiarygodnie masywny. Witaj płaskowyżu Millera! C gs C gd g fs C gd C $C_{\text{iss}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$$g_{\text{fs}}$$C_{\text{gd}}$$C_{\text{iss}}$

Oczywiście drugie twierdzenie opisuje najczęstszy przypadek użycia FET z twardą komutacją i o tym mówi Dave Tweed w swojej odpowiedzi. Jest to tak powszechny przypadek użycia, że ​​producenci powszechnie publikują wykresy Gate Charge, wraz z obwodami używanymi do testowania i oceny. Ostatecznie jest to najgorszy możliwy maksymalny przypadek dla .$C_{\text{iss}}$

Dobra wiadomość dla ciebie jest taka, że jeśli dokładnie narysowałeś schemat, nie musisz się martwić płaskowyżem Millera , ponieważ masz przypadek pierwszego roszczenia z minimalnym .$C_{\text{iss}}$

Niektóre szczegóły ilościowe

Wyprowadźmy równanie dla FET podłączonego jak w twoim obwodzie. Używając modelu AC z małym sygnałem dla MOSFET-a, takiego jak 6-elementowy model Sze:$C_{\text{iss}}$

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Tutaj odrzuciłem elementy dla , (pojemność zbiorcza) i (wyciek do źródła), ponieważ są one niepotrzebne tutaj i po prostu komplikują rzeczy. Znajdź dla : C bs R ds Z $C_{\text{ds}}$$C_{\text{bs}}$$R_{\text{ds}}$$Z_g$

gfsRsense+$\frac{V_g}{I_g}$ =$\frac{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}{s \left(C_{\text{gd}} \left(g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1\right)+C_{\text{gs}}\right)}$ $\frac{\frac{s C_{\text{gs}} R_{\text{sense}}}{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}+1}{\frac{\text{Cgs} s C_{\text{gd}} R_{\text{sense}}}{C_{\text{gd}} \left(g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1\right)+C_{\text{gs}}}+1}$

Drugi ułamkowy człon nic nie robi, dopóki częstotliwość nie przekroczy znacznie 100 MHz, więc potraktujemy to jako jedność. Pozostawi to pierwszy element ułamkowy, element integratora, który jest impedancją pojemnościową. Następnie zmień kolejność, aby uzyskać efektywne pasujące do topologii:$C_{\text{iss}}$

$C_{\text{iss_eff}}$ = lub$\frac{C_{\text{gd}} \left(g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1\right)+C_{\text{gs}}}{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}$$\frac{C_{\text{gs}}}{g_{\text{fs}} R_{\text{sense}}+1}+C_{\text{gd}}$

Zauważ, że tutaj jest podzielone przez (i ), a zatem jest zasłonięty przez nadprzewodnictwo, i dodano niemodyfikowany. Ponadto, jeśli = 0, = + .$C_{\text{gs}}$$g{\text{fs}}$$R_{\text{sense}}$$C_{\text{gd}}$$R_{\text{sense}}$$C_{\text{iss}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$

Dla IRF530N przy = 25 , = 900pF, = 20pF, = 20S: = 63pF. LM358 z ładowaniem 63pF kończy się marginesem fazowym około ... nie oscylacyjnym, ale dość dźwięcznym.$V_{\text{ds}}$$C_{\text{gs}}$$C_{\text{gd}}$$g_{\text{fs}}$$C_{\text{iss_eff}}$$35^{\circ }$

Ale jeśli gdzie spadnie do 3 V, wzrośnie do ~ 200pF (ryc. 5 w arkuszu danych), a wzrośnie do 243pF. A przy zastosowaniu LM358 OpAmp, z impedancją wyjściową w otwartej pętli ~ 2kOhm przy częstotliwości podziału, okazuje się to problemem.$V_{\text{ds}}$$C_{\text{gd}}$$C_{\text{iss_eff}}$

Spójrzmy na odpowiedź. Użyję tutaj tabeli Nicholsa, ponieważ pokaże ona jednocześnie reakcję otwartej i zamkniętej pętli.

Prostoliniowa siatka jest tutaj otwartą pętlą, podczas gdy linie konturu pokazują zamkniętą pętlę (zielone kontury dla wielkości dB i szare kontury dla fazy). Niebieska krzywa ma wartość , a w punkcie podziału (w czerwonej kropce - 502 kHz) margines fazowy rzeczywiście wynosi , a szczytowa pętla zamknięta wynosi około 5dB.$V_{\text{ds}}$$35^{\circ }$

Krzywa fioletowa dotyczy 3 V, a odpowiedni margines fazy w otwartej pętli wynosi ~ . Jeśli chodzi o zamkniętą pętlę, spójrz na wejście na górę Nichols, krzywa prawie przybija szczyt, który idealnie odpowiadałby nieskończonemu szczytowi. Oczywiście tak się nie stanie, ale system byłby niestabilny.$V_{\text{ds}}$$-3^{\circ }$

Nic dziwnego, że głównym problemem jest tutaj impedancja wyjściowa otwartej pętli LM358. Nawet przy topologii obwodu FET, która ma minimalną ekspresję , LM358 nie jest odpowiedni. Wzmacniacz o impedancji otwartej pętli 50 omów lub mniejszej i marginesie fazowym większym niż prawdopodobnie rozwiązałby problemy ze stabilnością.$C_{\text{iss_eff}}$$75^{\circ }$

Pojemność bramek MOSFET-a jest bardziej skomplikowanym tematem niż wielu ludzi zdaje sobie sprawę. Zależy to bardzo silnie od warunków pracy urządzenia. Ma to sens - pojemność, o której mówimy, ma samą bramę jako jedną płytę, która jest stałą strukturą fizyczną, ale druga „płyta” to nie tylko pobliskie źródła, struktury drenażu i podłoża, ale także przepływające nośniki ładunku w kanale od źródła do drenażu, a ich stężenie różni się znacznie.

Aby uzyskać wgląd w to, spójrz na rysunek 6 w arkuszu danych IRF530N (odtworzony poniżej), który pokazuje ładunek bramki jako funkcję napięcia źródło bramki. Definicja pojemności to , więc biorąc pod uwagę układ tego wykresu, efektywna pojemność bramki jest odwrotnością nachylenia krzywej w dowolnym punkcie.$\frac{\Delta charge}{\Delta voltage}$

Wartość jest mierzona przy = 0 V, więc odpowiada nachyleniu w lewym dolnym rogu wykresu. Zwróć jednak uwagę, jak wykres spłaszcza się w pobliżu napięcia progowego - to zmniejszone nachylenie wskazuje na znacznie większą efektywną pojemność (około 10 ×) w tym punkcie pracy. Co więcej, jest to dokładnie punkt, w którym działa Twój obwód regulatora prądu.$C_{ISS}$$V_{GS}$

Tak więc, aby w pełni scharakteryzować pojemność obciążenia, którą widzi opamp, musisz przetestować MOSFET w sposób pokazany na rycinie 13, z odpowiednimi napięciami polaryzacji na bramie i odpływie.

Możesz uziemić źródło, podłączyć odpływ do pożądanego napięcia polaryzacji (z dużym kondensatorem - może ceramicznym 1uF) w poprzek źródła odpływu) i bezpośrednio zmierzyć pojemność bramki za pomocą miernika zasilanego bateryjnie lub mostka LCR. Arkusz danych Vishay podaje około 0,7nF przy 30 V i 1nF przy 2 V Vds (dla Ciss).

Jeśli nie masz miernika C, falę kwadratową o odpowiedniej wartości (może 0,5 wolta) można zastosować do bramki przez odpowiedni rezystor (może 1K) i możesz obserwować czasy ładowania / rozładowania do 1 / e za pomocą zakres (sonda x10), a następnie odejmij pojemność sondy zakresu.