Estoy usando un controlador MOSFET ( TC4427A ), que puede cargar una capacitancia de compuerta de 1 nF en aproximadamente 30 ns.
El dual N-ch MOSFET que estoy usando (Si4946EY) tiene una carga de puerta de 30 nC (máx.) por fet. Solo estoy considerando uno por ahora, ya que ambos en el dado son idénticos. Estoy conduciendo la puerta a 5V. (Es un nivel lógico fet.)
¿Significa esto que puedo aplicar Q = CV para calcular la capacitancia? C = 30 nC / 5 V = 6 nF. Entonces mi controlador puede encender la puerta completamente en aproximadamente 180ns.
¿Mi lógica es correcta?
La resistencia de la puerta del MOSFET se especifica en un máximo. de 3,6 ohmios. ¿Tendrá esto algún efecto en los cálculos anteriores? El controlador tiene una resistencia de 9 ohmios.
¿Existe alguna diferencia significativa cuando la puerta se descarga en lugar de cargar? (apagando el fet.)
Como pregunta paralela, durante los 180ns el fet no está completamente encendido. Entonces, Rds (no del todo ON) es bastante alto. ¿Cómo puedo calcular cuánta disipación de energía se producirá durante este tiempo?
Comentarios
- Parece que el tiempo de conmutación estará limitado por el retraso y tiempo de conmutación del chip del controlador. Hay poca diferencia entre encendido y apagado, la etapa de salida del chip del controlador es un controlador de tótem. Puede acelerar el tiempo de apagado con un diodo. 30-40 ns es un tiempo muy corto 🙂 Si le preocupa la disipación de energía, debe calcular con qué frecuencia cambiará.
- @morten: el OP está hablando de conducir un FET: ¿Pensé que la aceleración del diodo solo se aplica a conducir un BJT?
- La recompensa se otorgará a la primera respuesta que responda a todas mis preguntas: tiempo de encendido, efecto de la puerta & resistencia del controlador, simetría de descarga / carga y Rds (no del todo ENCENDIDO)
Respuesta
Como dice el endolito, hay que mirar las condiciones para los parámetros. los 30nC son un valor máximo para \ $ V_ {GS} \ $ = 10V. El gráfico en la página 3 de la hoja de datos dice típicamente 10nC @ 5V, luego C = \ $ \ frac {10nC} {5V} \ $ = 2nF. Otro gráfico también en la página 3 da un valor de 1nF para \ $ C_ {ISS} \ $. La discrepancia se debe a que la capacitancia no es constante (por eso dan un valor de carga).
La resistencia de la puerta ciertamente influirá. La constante de tiempo de la puerta será (9 \ $ \ Omega \ $ + 3.6 \ $ \ Omega \ $) \ $ \ times \ $ 2nF = 25ns, en lugar de 9 \ $ \ Omega \ times \ $ 2nF = 18ns.
En teoría habrá una ligera diferencia entre encender y apagar, porque al apagar se parte de una temperatura más alta. Pero si el tiempo entre encendido y apagado es pequeño (mucho margen aquí, hablamos aproximadamente decenas de segundos) la temperatura es constante, y la característica será más o menos simétrica.
Acerca de su pregunta secundaria. Esto no se suele dar en las hojas de datos, porque la corriente dependerá de \ $ V_ { GS} \ $, \ $ V_ {DS} \ $ y temperatura, y los gráficos de 4 dimensiones no funcionan bien en dos dimensiones. La única solución es medirlo. Una forma es registrar \ $ I_D \ $ y \ $ V_ {DS} \ $ gráficas entre apagado y encendido y, multiplique ambos e integre. Esta transición normalmente ocurrirá rápidamente, por lo que probablemente solo pueda medir unos pocos puntos, pero eso debería darle una buena aproximación. Hacer la transición más lentamente producirá más puntos, pero la temperatura será diferente y, por lo tanto, el resultado será menos preciso.
Responder
Haciendo referencia a esta nota de la aplicación Fairchild sobre el cambio de MOSFET , esta nota de Infineon sobre la figura de mérito , esta nota de IR y la mía experiencia:
\ $ Q_g \ $ cuantifica el cargo total de la puerta, que se compone de algunos elementos agrupados:
- \ $ Q_ {gs} \ $ (puerta a -source)
- \ $ Q_ {gd} \ $ (puerta a desagüe)
En términos de calcular cuánta energía se disipa al encender el MOSFET, puede usar la relación Q = CV para calcular la capacitancia efectiva de la puerta. El fabricante a menudo también publica esta cifra como \ $ C_ {iss} \ $.
La nota IR resume bastante bien la pérdida por conmutación. Durante el intervalo \ $ Q_ {gs} \ $, el MOSFET comienza a conducir (\ $ I_D \ $ aumenta y \ $ V_ {DS} \ $ permanece alto). Durante el intervalo \ $ Q_ {gd} \ $, el MOSFET se satura (\ $ V_ {DS} \ $ cae). La mejor forma de ver la pérdida es, como se sugirió anteriormente, medir \ $ V_ {DS} \ $ y \ $ I_D \ $. Este artículo de EETimes describe cómo calcular matemáticamente la pérdida de conmutación para una variedad de condiciones, que no detallaré aquí.
El MOSFET La resistencia de la puerta se agrega con cualquier resistencia externa que tenga para determinar la corriente de carga. En su caso, dado que sólo está cargando a 5V, no maximizará la capacidad actual de su controlador.
Descargar la puerta es relativamente idéntico a cargarla, en la medida en que los umbrales siguen siendo los mismos. Si el umbral de encendido es de 4 V y carga a 5 V, puede imaginar que habrá una pequeña asimetría en el tiempo de encendido en comparación con el tiempo de apagado, ya que solo está descargando 1 V para apagarlo. vs. 4V para encenderlo.
Según el comentario anterior, es bastante común ver redes de resistencias y diodos en los circuitos de excitación MOSFET para adaptar las corrientes de carga de encendido y apagado.
Respuesta
La especificación en la hoja de datos dice V GS = 10 V, así que no. sería C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Pero este es un máximo absoluto.
En lugar de un solo valor de capacitancia, especifican la capacitancia como un gráfico en la página 3. Los significados de c iss c rss y c oss se dan en este documento figura 5. Creo que le importa más c iss , que es aproximadamente 900 pF según el gráfico.
Comentarios
- – 1 usando Ciss, Crss, Coss para determinar la capacidad de la puerta El presupuesto para determinar así las pérdidas de conmutación es incorrecto. Ciss, Crss, Coss es la capacitancia de entrada / salida de la señal pequeña
- @Naib: ¿En qué se diferencia la capacitancia de la señal grande y dónde encontrarías una especificación?
- Bueno, Ciss, Crss, Coss se realiza con un Vgs = 0V a alrededor de 1MHz … Qgate y, por lo tanto, Cgate nunca debe calcularse a partir de las cifras de capacitancia de entrada de IGBT o MOSFET, estas son simplemente de primer orden aproximadamente de la curva de carga de puerta alrededor del origen. La curva de carga de la puerta de los dispositivos de conmutación es muy no lineal (fig. 5). Ese período plano es la placa de Miller y aparece como un condensador inf. La primera sección lineal de la curva de carga tiene que ver con la carga de la fuente de puerta, el período plano contrarresta el condensador de miller (drenaje de puerta).
- @JonRB, ¿qué usarías para obtener una estimación de la capacitancia de entrada? Parece que Ciss solo sería una estimación válida para Vgs desde 0 hasta justo antes de alcanzar el voltaje de meseta. ¿Y por qué se nos da Ciss si en su lugar podemos usar la carga de la puerta para obtener una aproximación mucho más cercana?
Answer
disipación de energía durante el encendido y apagado
Podría pensar que el transistor se más caliente durante esas transiciones tiene algo que ver con los voltajes internos y las corrientes y capacitancias del transistor.
En la práctica, siempre que encienda o apague un interruptor lo suficientemente rápido, los detalles internos del interruptor son irrelevante. Si saca el interruptor completamente del circuito, las otras cosas en el circuito inevitablemente tienen alguna capacitancia parásita C entre los dos nodos que el interruptor enciende y apaga. Cuando inserta un interruptor de cualquier tipo en ese circuito, con el interruptor apagado, esa capacitancia se carga hasta cierto voltaje V, almacenando CV ^ 2/2 vatios de energía.
No importa qué tipo de interruptor es decir, cuando enciende el interruptor, todos los CV ^ 2/2 vatios de energía se disipan en ese interruptor. (Si cambia muy lentamente, entonces quizás se disipa aún más energía en ese interruptor).
Para calcular la energía disipada en su interruptor mosfet, encuentre la capacitancia externa total C a la que está conectado (probablemente en su mayoría parásitos ) y el voltaje V al que se cargan los terminales del interruptor justo antes de que el interruptor se encienda. La energía disipada en cualquier tipo de interruptor es
- E_turn_on = CV / 2
en cada encendido.
La energía disipado en las resistencias que impulsan la puerta, su FET es
- E_gate = Q_g V
donde
- V = la puerta oscilación de voltaje (de su descripción, es 5 V)
- Q_g = la cantidad de carga que empuja a través del pin de la compuerta para encender o apagar el transistor (de la hoja de datos FET, se trata de 10 nC a 5 V)
La misma energía E_gate se disipa durante el encendido y nuevamente durante el apagado.
Parte de esa energía E_gate se disipa en el transistor, y parte de ella se disipa en el chip del controlador FET; por lo general, uso un análisis pesimista que asume toda esa energía se disipa en el transistor, y también toda de esa energía se disipa en el controlador FET.
Si su interruptor se apaga lo suficientemente rápido, la energía disipada durante el apagado suele ser insignificante en comparación con la energía disipada durante el encendido. Puede colocar un límite en el peor de los casos (para cargas altamente inductivas) de
- E_turn_off = IVt (peor caso)
donde
- I es la corriente a través del interruptor justo antes del apagado,
- V es el voltaje a través del interruptor justo después del apagado, y
- t es el tiempo de conmutación de encendido a apagado.
Entonces el poder disipado en el feto es
- P = P_switching + P_on
donde
- P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * frecuencia_conmutación
- frecuencia_conmutación es el número de veces por segundo que cicla el interruptor
- P_on = IRd = la potencia disipada mientras el interruptor está encendido
- I es la corriente promedio cuando el interruptor está encendido,
- R es la resistencia de estado encendido del FET, y
- d es la fracción del tiempo que el interruptor está encendido (use d = 0.999 para estimaciones del peor de los casos).
Muchos puentes H aprovechan el diodo corporal (generalmente no deseado) como un diodo de retorno para capturar la corriente de retorno inductiva. Si hace eso (en lugar de usar diodos de captura Schottky externos) también necesitará agregar la potencia disipada en ese diodo.