הבנת תהליך הפעלת MOSFET

תהליך הפעלת MOSFET מחושב נכון מבטיח כי המכשיר מופעל ביעילות אופטימלית.

בעת תכנון מעגלים מבוססי MOSFET אולי תהית מה הדרך הנכונה להפעיל MOSFET? או פשוט מה המתח המינימלי שיש להפעיל על פני השער / מקור המכשיר כדי להפעיל אותו בצורה מושלמת?

אם כי עבור מערכות דיגיטליות רבות זה לא יכול להיות בעיה, מערכות 5V כגון DSP, FPGA ו- Arduinos דורשות הגברת התפוקות שלהם למצב מיתוג אופטימלי עבור ה- MOSFET המחובר.

ובמצבים אלה המעצב מתחיל לבחון את המפרט של ה- MOSFET כדי לקבל את נתוני מתח הסף. המעצב מניח כי ה- MOSFET יופעל וישנה מצב כאשר חוצה רמת סף זו.

עם זאת זה לא יכול להיות פשוט כמו שזה נראה.

מהו מתח הסף V._{GS (th)}

קודם כל עלינו להבין כי מתח הסף, המסומן כ- V_{GS (th)}לא מיועד למעצבי מעגלים לדאוג.

אם לדייק, מתח השער הוא שגורם לזרם הניקוז של ה- MOSFET לחצות רמת סף של 250 מיקרו-אמפר, וזה נבדק בתנאים שבדרך כלל לעולם לא יופיעו ביישומים מעשיים.

במהלך ניתוח מסוים, נעשה שימוש ב- 5V קבוע לבדיקות הנ'ל של המכשיר. אך בדיקה זו מיושמת בדרך כלל כאשר השער וניקוז המכשיר מחובר או קצר זה עם זה. אתה יכול לקבל מידע זה בקלות בגליון הנתונים עצמו, כך שאין שום דבר מסתורי במבחן זה.

הטבלה לעיל מציינת את רמות הסף ואת תנאי הבדיקה הרלוונטיים לדוגמא MOSFET.

עבור יישום מבוקש, המעצב עשוי לחשוש ממצב חשש המכונה מתח שער 'המושרה', שעשוי להוות נושא רציני, למשל, ב MOSFET צד נמוך של ממיר באק סינכרוני .

כפי שנדון קודם, גם כאן עלינו להבין כי מעבר לסף V_{GS (th)}הרמה עשויה לא להכריח את המכשיר להיתקל בתקלת ירי. רמה זו למעשה מספרת למעצב לגבי הסף בו ה- MOSFET פשוט מתחיל להדליק ואינו מצב בו הדברים פשוט מסתיימים לגמרי.

יתכן ומומלץ כי בזמן שה- MOSFET נמצא במצב כבוי, מתח השער נשמר מתחת ל- V._{GS (th)}ברמה, כדי למנוע דליפה שוטפת. אך בזמן שמפעילים אותו ניתן להתעלם פשוט מפרמטר זה.

העברת עקומת מאפיין

תוכלו למצוא תרשים עקומות נוסף בשם מאפייני העברה בגליונות הנתונים של MOSFET המסבירים את התנהגות הפעלתו בתגובה להגברת מתח השער.

ליתר דיוק זה עשוי להיות קשור יותר לניתוח הווריאציה הנוכחי ביחס למתח השער וטמפרטורת המקרה של המכשיר. בניתוח זה ה- V._DSמוחזק ברמה קבועה אך ברמה גבוהה, סביב 15 וולט, אשר אולי לא נחשף במפרט גליון הנתונים.

אם אנו מתייחסים לעקומה כפי שמוצג לעיל אנו מבינים שעבור זרם ניקוז של 20 אמפר, מתח השער למקור 3.2 וולט לא יכול להיות מספק.

השילוב יביא ל- VDS של 10 V בדרך כלל עם פיזור של 200 וואט.

נתוני עקומת העברה יכולים להיות שימושיים עבור MOSFET המופעלים בטווח הליניארי, אולם לנתוני העקומה עשויה להיות משמעות פחותה עבור MOSFET ביישומי מיתוג.

מאפייני תפוקה

העקומה המגלה את הנתונים בפועל לגבי מצב ה- ON באופן מלא של MOSFET מכונה עקומת הפלט כמוצג להלן:

כאן, עבור הרמות השונות של וי_GSהנפילה הקדמית של ה- MOSFET נמדדת כפונקציה של הזרם. מהנדסי מכשירים משתמשים בנתוני עקומה אלה כדי לאשר את הרמה האופטימלית של מתח השער.

לכל רמת מתח שער שמבטיחה הפעלה מלאה של ה- MOSFET [R_{DS (מופעל)}], אנו מקבלים טווח של ירידות מתח (V._GS) על פני ניקוז למקור עם תגובה ליניארית לחלוטין עם זרם הניקוז. הטווח מתחיל מאפס ומעלה.

למתח שער נמוך יותר (V._GS), כאשר זרם הניקוז מוגבר, אנו מוצאים את העקומה מאבדת את התגובה הליניארית, עוברת דרך 'הברך' ואז הולכת שטוחה.

פרטי העקומה שלעיל מספקים לנו את מאפייני הפלט המלאים לטווח של מתח שער בין 2.5 וולט ועד 3.6 וולט.

משתמשי MOSFET עשויים בדרך כלל לשקול זאת כפונקציה לינארית. עם זאת, לעומת זאת מהנדסי מכשירים עשויים להעדיף להקדיש תשומת לב רבה יותר לאזור האפור בגרף המציע את אזור הרוויה הנוכחי עבור מתח שער מיושם.

הוא חושף את הנתונים הנוכחיים שנגעו בנקודת הרוויה או במגבלת הרוויה. בשלב זה, אם ה- V_DSהוא מוגבר יביא לעלייה שולית בזרם, אך עלייה קטנה בזרם הניקוז עשויה להוביל ל- V גדול בהרבה_DS.

עבור רמות מתח שער גבוהות יותר, המאפשרות ל- MOSFET להדליק באופן מלא, האזור המוצלל הירוק יראה לנו את נקודת ההפעלה לתהליך, המצוינת כאזור התנגדות (או אומי).

שים לב שהעקומות כאן מציגות את הערכים האופייניים בלבד, ואינן כוללות גבולות מינימום או מקסימום.

כאשר הוא פועל בטמפרטורות סביבתיות נמוכות יותר, המכשיר ידרוש מתח שער גבוה יותר כדי להישאר באזור ההתנגדות, שעשוי לעלות כלפי מעלה בקצב של 0.3% / מעלות צלזיוס.

מה זה MOSFET RDS (מופעל)

כאשר מהנדסי מכשירים צריכים להיתקל במאפייני הפלט של ה- MOSFET, הם בעצם ירצו ללמוד על ה- R_{DS (מופעל)}של המכשיר תוך התייחסות לתנאי ההפעלה הספציפיים.

באופן כללי, זה יכול להיות שילוב של V._GSואני_DSעל פני השטח בו העקומה סטתה מהקו הישר לחלק שמצוין בגוון האפור.

בהתחשב בדוגמה שנדונה לעיל, מתח שער של 3.1 וולט עם זרם התחלתי של 10 אמפר, המהנדסים יידעו כי ה- R_{DS (מופעל)}נוטים להיות גדולים מהערך המשוער. עם זאת, האם אנו מצפים מיצרן MOSFET למסור נתונים משוערים לגבי זה?

עם שתי הכמויות V_DSואני_DSניתן להשיג בקלות בעקומה הוא עשוי להיות מפתה מדי, ולעיתים קרובות נכנע לתוכו, כדי לחלק את שתי הכמויות בתוצאה R_{DS (מופעל)}.

עם זאת, למרבה הצער אין לנו R._{DS (מופעל)}להערכה כאן. נראה כי זה אינו זמין עבור המצבים שהוזכרו שכן בכל חלק בשטח קו עומס ייצוג התנגדות צריך לעבור דרך המקור בצורה ליניארית.

עם זאת, יתכן שניתן לדמות את קו העומס בצורה מצטברת כמו התנגדות לא לינארית.

לכל הפחות, הדבר יבטיח שכל הבנה בעבודה מעשית תישמר במקור (0, 0).

מאפייני עקומת טעינת שער

נתוני עקומת הטעינה של השער הם שמעניקים לנו רמז אמיתי לגבי מפרט ה- ON של ה- MOSFET כפי שמוצג באיור למטה. :

למרות שהעקומה שלעיל הינה הכללה סטנדרטית בכל גליונות הנתונים של MOSFET, אך לעתים רחוקות מבינים את האינדיקציות הבסיסיות על ידי המשתמש MOSFET.

יתר על כן, ההתקדמות המודרנית בפריסות MOSFET, כמו תעלות ושערים מוגנים, דורשת התייחסות מתוקנת של הנתונים.

לדוגמה, המפרט ששמו 'מטען שער' עשוי להיראות מטעה מעט בפני עצמו.

הקטעים הליניאריים והמחולקים של העקומה אינם נראים כמו טעינת מתח בקבל, ללא קשר לכמות הערך הלא ליניארי שהוא עשוי להציג.

ליתר דיוק, עקומת טעינת השער מסמנת נתונים משויכים של שני קבלים שאינם מקבילים, בעלי עוצמות שונות ונושאים רמות מתח שונות.

בתיאוריה, הקיבול הפונקציונלי כפי שעדים ממסוף שער MOSFET מוגדר באמצעות המשוואה:

ג_iss= ג_gs+ ג_אלוקים

איפה ג_iss= קיבול שער, ג_gs= קיבול מקור שער, ג_אלוקים= קיבול ניקוז שער

למרות שזה עשוי להיראות פשוט למדי למדוד יחידה זו ולפרט אותה בגליונות הנתונים, יש לציין כי המונח C_issהוא למעשה לא קיבול אמיתי.

יכול להיות שגוי לחלוטין לחשוב ש- MOSFET מופעל רק באמצעות מתח המופעל על קיבול השער C_iss'.

כפי שמצוין באיור לעיל, רגע לפני ש- MOFET נדלק, לקיבולת השער אין מטען, אך הקיבול בניקוז השער C_אלוקיםבעל מטען שלילי שיש לבטל.

לשני הקיבולים הללו יש אופי לא ליניארי והערכים שלהם משתנים במידה רבה ככל שהמתחים המופעלים משתנים.

לפיכך, חשוב לציין כי המטענים המאוחסנים של ה- MOSFET הם שקובעים את מאפייני המיתוג שלו, ולא ערך הקיבול לרמת מתח ספציפית.

מכיוון ששני אלמנטים הקיבול המהווים C_issבעלי תכונות פיזיות שונות, הם נוטים להיטען ברמות מתח שונות, המחייבים את תהליך ההפעלה של ה- MOSFET לעבור גם שני שלבים.

הרצף המדויק עשוי להיות שונה ביישומים התנגדותיים ואינדוקטיביים, אך בדרך כלל העומסים המעשיים ביותר הם אינדוקטיביים ביותר, ניתן לדמות את התהליך כפי שמתואר באיור הבא:

רצף תזמון טעינת שער

את רצפי תזמון טעינת השער של ה- MOSFET ניתן ללמוד מהתרשים להלן:

ניתן להבין זאת בהסבר הבא:

1. T0 - T1: ג_gsחיובים מאפס ל- V._{GS (th)}... ו_DSאו אני_DSלא עובר שום שינוי.
2. T1-T2, הזרם מתחיל לעלות ב- MOSFET בתגובה למתח השער הגובר מ- V._{GS (th)}עד מתח הרמה V._GP.
3. כאן, IDS גדל ומגיע לזרם עומס מלא מ- 0 V, אם כי V._DSנשאר לא מושפע וקבוע. המטען הקשור נוצר באמצעות האינטגרל של C_gsמ- 0 V ל- V._GPו- Q_gsניתן בגליונות הנתונים.
4. T2 - T3: צפו באזור השטוח בין T2 ל- T3, קוראים לה הרמה של מילר.
5. לפני ההפעלה, ג_אלוקיםטוען ומחזיק עד מתח האספקה ​​V_IN, עד שאני_DSמגיע לערך השיא I (עומס) ב- T2.
6. הזמן בין התקופה T2 ל- T3, המטען השלילי (V_IN- וי_GP) הופך למטען חיובי ביחס למתח הרמה V._GP.
7. ניתן לדמיין זאת גם כצניחה של מתח הניקוז מ- V._INלכמעט אפס.
8. המטען הכרוך בשווה לסביבות ה- C._אלוקיםאינטגרל בין 0 ל- V._ב, המוצג כ- Q_אלוקיםבגליונות נתונים.
9. במהלך T3 - T4 מתח השער מטפס מ- V._GPל- V_GSוכאן אנו כמעט ולא מוצאים שום שינוי עבור V_DSואני_DS, אבל R האפקטיבי_{DS (מופעל)}נופל מעט כשמתח השער עולה. ברמת מתח מסוימת מעל V._GP, מספק ליצרנים מספיק ביטחון כדי לקבוע את הגבול העליון על ה- R האפקטיבי_{DS (מופעל)}.

לעומסי אינדוקציה

עליית הזרם בערוץ MOSFET עקב עומס אינדוקטיבי צריכה להסתיים לפני שהמתח מתחיל לרדת.

בתחילת הרמה, ה- MOSFET נמצא במצב OFF, בנוכחות זרם ומתח גבוה על פני הניקוז למקור.

בין הזמן T2 ל- T3, טעינה Q_אלוקיםמוחל על השער של ה- MOSFET, שבו המאפיין MOSFET הופך מזרם קבוע למצב התנגדות קבוע בסוף.

כאשר המעבר הנ'ל מתרחש, לא מורגש שום שינוי במתח השער V._GPמתרחש.

זו הסיבה שלעולם זה לא רעיון נבון להתייחס לתהליך הפעלה של MOSFET עם רמה מסוימת של מתח שער.

הדבר נכון גם לגבי תהליך כיבוי OFF, הדורש לבטל את שני המטענים (שנדונו קודם) מהשער של ה- MOSFET בסדר הפוך.

מהירות מיתוג MOSFET

בעוד ש_gsבתוספת ש_אלוקיםיחד מבטיחים שה- MOSFET יופעל באופן מלא, הוא לא אומר לנו כמה מהר זה יקרה.

כמה מהר יתחלף הזרם או המתח נקבע על פי הקצב בו מוחלים או מוציאים את אלמנטים המטען בשער. זה מכונה גם זרם כונן השער.

למרות שקצב עלייה וירידה מהיר מבטיח הפסדי מיתוג נמוכים יותר ב- MOSFET, אלה עשויים גם לגרום לסיבוכים ברמת המערכת הקשורים למתח שיא מוגבר, תנודות והפרעות אלקטרומגנטיות, במיוחד בזמן כיבוי עומסי ההשראה.

המתח הנופל ליניארי המתואר באיור 7 לעיל מצליח לקחת ערך קבוע של Cgd, מה שכמעט ולא יקרה ל- MOSFET ביישומים מעשיים.

אם לדייק, מטען ניקוז השער C_אלוקיםעבור צומת סופר במתח גבוה MOSFET כגון SiHF35N60E מציג תגובה לינארית גבוהה באופן משמעותי, כפי שניתן לראות באיור הבא:

טווח הווריאציות שקיים בערך C_rss(העברה הפוכה) הוא יותר מ 200: 1 בתוך 100 וולט הראשוניים. בשל כך זמן הנפילה בפועל של המתח מול עקומת טעינת השער נראה יותר כמו הקו המקווקו שמוצג בצבע אדום באיור 7.

במתח גבוה יותר, זמני העלייה והירידה של המטענים, יחד עם ערכי ה- dV / dt המקבילים שלהם, תלויים יותר בערך C_rss, במקום האינטגרל של כל העקומה המצוין כ- Q_אלוקים.

כאשר משתמשים רוצים להשוות מפרט MOSFET בסביבות עיצוב שונות, עליהם להבין כי MOSFET עם מחצית מה- Q_אלוקיםהערך לא בהכרח יכלול קצב מיתוג מהיר פי שניים, או 50% פחות הפסדי מעבר.

הסיבה לכך היא שעל פי ה- C_אלוקיםעקומה וגודלה במתחים גבוהים יותר, יתכן בהחלט של- MOSFET יהיה Qgd נמוך בגליון הנתונים, אך ללא כל עלייה במהירות המיתוג.

תִמצוּת

ביישום בפועל, הפעלת MOSFET מתרחשת באמצעות סדרת תהליכים ולא באמצעות פרמטר קבוע מראש.

על מעצבי מעגלים להפסיק לדמיין כי וי_{GS (th)}, או שרמות המתח יכולות לשמש כמתח השער להחלפת פלט ה- MOSFET מ- R ל- R גבוה_{DS (מופעל)}.

זה עשוי להיות חסר תועלת לחשוב שיש לו R._{DS (מופעל)}מתחת או מעל רמת מתח שער ספציפית, מכיוון שרמת מתח השער אינה מחליטה באופן מהותי על הפעלת MOSFET. במקום זאת מדובר בחיובים ש_gsוש_אלוקיםהוכנס ל- MOSFET שמבצע את העבודה.

אתה עלול למצוא את מתח השער עולה מעל V._{GS (th)}ו- V._GPבמהלך תהליך הטעינה / פריקה אך אלה אינם חשובים כל כך.

כמו כן, כמה מהר היום MOSFET עשוי להפעיל או לכבות יכול להיות פונקציה מורכבת של Q_gsאו ש_אלוקים.

לצורך הערכת מהירויות מיתוג MOSFET, במיוחד MOSFET מתקדמות, על המעצב לעבור מחקר מקיף בנוגע לעקומת טעינת השער ומאפיין הקיבול של המכשיר.

התייחסות: https://www.vishay.com/