Portkapacitans versus portladning i n-ch FETer, og hvordan man beregner strømafbrydelse under opladning / afladning af porten

Henviser til denne Fairchild-appnote om MOSFET-skift , denne Infineon-note om fortjeneste , denne IR-note og min egen erfaring:

\ $ Q_g \ $ kvantificerer den samlede gate-afgift, der består af nogle klumpede elementer:

• \ $ Q_ {gs} \ $ (gate-til -kilde)
• \ $ Q_ {gd} \ $ (gate-to-drain)

Med hensyn til beregning af hvor meget strøm der spredes ved at tænde MOSFET, Du kan bruge Q = CV-forholdet til at finde ud af den effektive portkapacitans. Producenten offentliggør ofte også dette tal som \ $ C_ {iss} \ $.

IR-noten opsummerer skiftetab ganske pænt. I \ $ Q_ {gs} \ $ intervallet begynder MOSFET at udføre (\ $ I_D \ $ ramper op og \ $ V_ {DS} \ $ forbliver høj). Under \ $ Q_ {gd} \ $ intervallet bliver MOSFET mættet (\ $ V_ {DS} \ $ falder). Den bedste måde at se tabet på er, som tidligere antydet, at måle \ $ V_ {DS} \ $ og \ $ I_D \ $. Denne EETimes-artikel beskriver, hvordan man matematisk beregner skiftetabet for en række forhold, som jeg ikke vil uddybe her.

MOSFET portmodstand tilføjes med den eksterne modstand, du har, for at bestemme ladestrømmen. I dit tilfælde vil du ikke maksimere din chaufførs nuværende kapacitet, da du kun oplader til 5V.

Afladning af porten er relativt identisk med opladning, i det omfang tærsklerne forbliver de samme. Hvis tændtærsklen er 4V, og du oplader til 5V, kan du forestille dig, at der vil være noget lille asymmetri i tændtiden vs. slukketiden, da du kun aflader 1V for at få slukket vs. 4V for at få tændt.

Som pr. den tidligere kommentar er det ret almindeligt at se netværk af modstande og dioder i MOSFET-drevkredsløb for at skræddersy tænd- og sluk-opladningsstrømmen.

Specifikationen i databladet siger V _GS = 10 V, så nej. Det ville være C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Men dette er et absolut maksimum.

I stedet for en enkelt kapacitansværdi specificerer de kapacitansen som en graf på side 3. Betydningen af c _iss c _rss og c _oss er angivet i dette dokument figur 5. Jeg synes, du holder mest af c _iss , hvilket er cirka 900 pF ifølge diagrammet.

Kommentarer

• – 1 ved hjælp af Ciss, Crss, Coss til at bestemme gate capa citance for således at bestemme skiftetabene er forkert. Ciss, Crss, Coss er det lille signal input / output kapacitans
• @Naib: Hvordan er den store signalkapacitans forskellig, og hvor finder du en spec af det?
• Nå Ciss, Crss, Coss er færdig med en Vgs = 0V ved omkring 1MHz … Qgate og dermed må Cgate aldrig beregnes ud fra IGBT- eller MOSFET-indgangskapacitanstal, disse er kun 1. orden ca. af gatecharge-kurven omkring oprindelsen. Portladningskurven for skifteindretninger er meget ikke-lineær (fig5) Den flade periode er møllerpladen og fremstår som en inf-kondensator. Den første lineære sektion af ladningskurven er at gøre med opladning af Gate-kilden, den flade periode modvirker møllerkondensatoren (Gate-drain).
• @JonRB hvad ville du så bruge til at få et skøn over indgangskapacitansen? Det ser ud til, at Ciss kun ville være et gyldigt skøn for Vgs fra 0 til lige før du rammer plateau-spændingen. Og hvorfor får vi Ciss, hvis vi i stedet kan bruge portafgiften til at få en meget tættere tilnærmelse?

strømafbrydelse under tænding og slukning

Du tror måske, at transistoren bliver varmere under disse overgange har noget at gøre med transistorens interne spændinger og strømme og kapaciteter.

I praksis, så længe du tænder eller slukker en kontakt tilstrækkeligt hurtigt, er de interne detaljer i kontakten irrelevant. Hvis du trækker kontakten helt ud af kredsløbet, har de andre ting i kredsløbet uundgåeligt en vis parasitisk kapacitans C mellem de to noder, som kontakten tænder og slukker. Når du indsætter en afbryder af enhver art i det kredsløb, mens afbryderen er slukket, oplades den kapacitans op til en vis spænding V og lagrer CV ^ 2/2 watt energi.

Ligegyldigt hvilken slags switch det Når du tænder kontakten, spredes al CV ^ 2/2 watt energi i kontakten. (Hvis den skifter meget langsomt, bliver der måske spredt endnu mere energi i den switch).

For at beregne den energi, der er spredt i din mosfet-switch, skal du finde den samlede eksterne kapacitans C, den er knyttet til (sandsynligvis for det meste parasitisk ) og spændingen V, som terminalerne på kontakten oplader op til lige før kontakten tændes. Den energi, der spredes i enhver form for switch, er

• E_turn_on = CV / 2

ved hver tænding.

Energien spredt i modstandene, der driver porten, er din FET

• E_gate = Q_g V

hvor

• V = porten spændingssving (fra din beskrivelse, det er 5 V)
• Q_g = den mængde opladning, du skubber gennem portstiften for at tænde eller slukke for transistoren (fra FET-databladet handler det om 10 nC ved 5 V)

Den samme E_gate-energi spredes under tænding og igen under slukning.

Noget af den E_gate-energi spredes i transistoren, og noget af det spredes i FET-driverchippen – jeg bruger normalt en pessimistisk analyse, der antager alt af den energi spredes i transistoren, og også al den energi spredes i FET-driveren.

Hvis din kontakt slukker tilstrækkeligt hurtigt, spredes den energi, der spredes under slukning, typisk ubetydelig sammenlignet med energi spredt under tænding. Du kan placere en worst-case bundet (for meget induktive belastninger) af

• E_turn_off = IVt (worst case)

hvor

• Jeg er strømmen gennem kontakten lige før slukning,
• V er spændingen over kontakten lige efter slukning, og
• t er skiftetiden fra til af.

Så er kraften, der spredes i fosteret,

• P = P_switching + P_on

hvor

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * switch_frequency
• switching_frequency er det antal gange pr. sekund, du cykler kontakten
• P_on = IRd = den strøm spredt, mens kontakten er tændt
• Jeg er den gennemsnitlige strøm, når kontakten er tændt,
• R er FETs modstand i tilstanden, og
• d er den brøkdel af tiden, som omskifteren er tændt (brug d = 0,999 til værste tilfælde estimater).

Mange H-broer udnytter den (normalt uønskede) kropsdiode som en flyback-diode til at fange den induktive flyback-strøm. Hvis du gør det (i stedet for at bruge eksterne Schottky-fangstdioder), skal du også tilføje den strøm, der er spredt i denne diode.