Ich verwende einen MOSFET-Treiber ( TC4427A ), mit dem eine Gate-Kapazität von 1 nF in etwa 30 ns aufgeladen werden kann.
Der von mir verwendete duale N-ch-MOSFET (Si4946EY) hat eine Gate-Ladung von 30 nC (max) pro Fet. Ich denke momentan nur an eine, da beide auf dem Würfel identisch sind. Ich fahre das Tor auf 5V. (Es ist ein Fet auf logischer Ebene.)
Bedeutet dies, dass ich Q = CV anwenden kann, um die Kapazität zu berechnen? C = 30 nC / 5 V = 6 nF. So kann mein Treiber das Gate in ca. 180 ns vollständig einschalten.
Ist meine Logik korrekt?
Der Gate-Widerstand des MOSFET ist auf max. von 3,6 Ohm. Wird dies Auswirkungen auf die obigen Berechnungen haben? Der Treiber hat einen Widerstand von 9 Ohm.
Gibt es einen signifikanten Unterschied, wenn das Gate entladen statt geladen wird? (Ausschalten des Fet.)
Als Nebenfrage ist der Fet während der 180 ns nicht vollständig eingeschaltet. Also ist Rds (nicht ganz ON) ziemlich hoch. Wie kann ich berechnen, wie viel Verlustleistung während dieser Zeit auftritt?
Kommentare
- Es sieht so aus, als ob Ihre Schaltzeit durch die Verzögerung und begrenzt wird Schaltzeit des Treiberchips. Es gibt kaum einen Unterschied zwischen Ein und Aus, die Ausgangsstufe des Treiberchips ist ein Totempfahltreiber. Sie können die Ausschaltzeit mit einer Diode beschleunigen. 30-40 ns ist eine sehr kurze Zeit 🙂 Wenn Sie über die Verlustleistung besorgt sind, müssen Sie herausfinden, wie oft Sie wechseln werden.
- @morten: Das OP spricht über das Fahren von a FET – Ich dachte, die Diodenbeschleunigung gilt nur für das Ansteuern eines BJT?
- Das Kopfgeld wird an die erste Antwort vergeben, die alle meine Fragen beantwortet – Einschaltzeit, Wirkung von Gate & Treiberwiderstand, Entladungs- / Ladungssymmetrie und Rds (nicht ganz EIN)
Antwort
Wie Endolith sagt, müssen Sie die Bedingungen für Parameter überprüfen. Die 30nC sind ein Maximalwert für \ $ V_ {GS} \ $ = 10V. Das Diagramm auf Seite 3 des Datenblattes zeigt normalerweise 10 nC bei 5 V, dann C = \ $ \ frac {10 nC} {5 V} \ $ = 2 nF. Ein weiteres Diagramm auf Seite 3 gibt einen Wert von 1nF für \ $ C_ {ISS} \ $ an. Die Diskrepanz liegt darin, dass die Kapazität nicht konstant ist (deshalb geben sie einen Ladungswert an).
Der Gate-Widerstand wird tatsächlich einen Einfluss haben. Die Zeitkonstante des Gates ist (9 \ $ \ Omega \ $ + 3,6 \ $ \ Omega \ $) \ $ \ times \ $ 2nF = 25 ns anstelle von 9 \ $ \ Omega \ times \ $ 2nF = 18 ns.
Theoretisch gibt es einen kleinen Unterschied zwischen Ein- und Ausschalten, da Sie beim Ausschalten von einer höheren Temperatur ausgehen. Wenn die Zeit zwischen Ein- und Ausschalten jedoch gering ist (hier wird viel Spielraum eingeräumt) Die Temperatur ist konstant und die Charakteristik ist mehr oder weniger symmetrisch.
Über Ihre Nebenfrage. Dies wird normalerweise nicht in Datenblättern angegeben, da der Strom von \ $ V_ {abhängt. GS} \ $, \ $ V_ {DS} \ $ und Temperatur sowie vierdimensionale Diagramme funktionieren in zwei Dimensionen nicht gut. Die einzige Lösung besteht darin, sie zu messen. Eine Möglichkeit besteht darin, \ $ I_D \ $ und \ aufzuzeichnen $ V_ {DS} \ $ Diagramme zwischen Aus und Ein und, beide multiplizieren und integrieren. Dieser Übergang erfolgt normalerweise schnell, sodass Sie wahrscheinlich nur über einige Punkte messen können, aber das sollte Ihnen eine gute Annäherung geben. Wenn Sie den Übergang langsamer durchführen, erhalten Sie mehr Punkte, aber die Temperatur ist unterschiedlich, und daher ist das Ergebnis weniger genau.
Antwort
Referenzieren dieser Fairchild-App-Hinweis zum MOSFET-Schalten , diese Infineon-Notiz zur Gütezahl , diese IR-Notiz und meine eigene Erfahrung:
\ $ Q_g \ $ quantifiziert die gesamte Gate-Ladung, die aus einigen konzentrierten Elementen besteht:
- \ $ Q_ {gs} \ $ (Gate-to) -Quelle)
- \ $ Q_ {gd} \ $ (Gate-to-Drain)
Um zu berechnen, wie viel Energie verbraucht wird, schalten Sie den MOSFET ein, Sie können die Beziehung Q = CV verwenden, um die effektive Gatekapazität zu ermitteln. Der Hersteller veröffentlicht diese Zahl häufig auch als \ $ C_ {iss} \ $.
Die IR-Notiz fasst den Schaltverlust recht gut zusammen. Während des Intervalls \ $ Q_ {gs} \ $ beginnt der MOSFET zu leiten (\ $ I_D \ $ fährt hoch und \ $ V_ {DS} \ $ bleibt hoch). Während des Intervalls \ $ Q_ {gd} \ $ wird der MOSFET gesättigt (\ $ V_ {DS} \ $ fällt). Der beste Weg, um den Verlust zu sehen, ist, wie zuvor vorgeschlagen, \ $ V_ {DS} \ $ und \ $ I_D \ $ zu messen. In diesem EETimes-Artikel wird beschrieben, wie der Schaltverlust für eine Vielzahl von Bedingungen mathematisch berechnet wird, auf die ich hier nicht näher eingehen werde.
Der MOSFET Der Gate-Widerstand wird mit dem externen Widerstand addiert, den Sie zur Bestimmung des Ladestroms benötigen. In Ihrem Fall können Sie die aktuelle Leistung Ihres Fahrers nicht ausschöpfen, da Sie nur auf 5 V aufladen.
Das Entladen des Gates ist relativ identisch mit dem Laden, sofern die Schwellenwerte gleich bleiben. Wenn der Einschaltschwellenwert 4 V beträgt und Sie auf 5 V aufladen, können Sie sich vorstellen, dass die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit geringfügig asymmetrisch ist, da Sie nur 1 V entladen, um die Ausschaltung zu erreichen 4 V zum Einschalten.
Wie aus dem früheren Kommentar hervorgeht, ist es durchaus üblich, Netzwerke von Widerständen und Dioden in MOSFET-Ansteuerschaltungen zu sehen, um die Ein- und Ausschaltladeströme anzupassen.
Antwort
Die Spezifikation im Datenblatt besagt V GS = 10 V, also nein wäre C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Dies ist jedoch ein absolutes Maximum.
Anstelle eines einzelnen Kapazitätswerts geben sie die Kapazität als Diagramm auf Seite 3 an. Die Bedeutungen von c iss c rss und c oss sind in in diesem Dokument in Abbildung 5 angegeben. Ich denke, Sie interessieren sich am meisten für c iss , was laut Tabelle etwa 900 pF entspricht.
Kommentare
- – 1 Verwenden Sie Ciss, Crss, Coss, um die Gate-Capa zu bestimmen Die Angabe zur Ermittlung der Schaltverluste ist falsch. Ciss, Crss, Coss ist die kleine Signaleingangs- / Ausgangskapazität
- @Naib: Wie unterscheidet sich die große Signalkapazität und wo würden Sie eine Spezifikation davon finden?
- Nun Ciss, Crss, Coss wird mit einem Vgs = 0V bei ungefähr 1 MHz durchgeführt … Qgate und daher darf Cgate niemals aus den IGBT- oder MOSFET-Eingangskapazitätswerten berechnet werden, dies sind lediglich ungefähr 1. Ordnung der Gate-Ladekurve um den Ursprung. Die Gate-Ladungskurve von Schaltgeräten ist stark nichtlinear (Abb. 5). Diese flache Periode ist die Müllerplatte und erscheint als Inf-Kondensator. Der erste lineare Abschnitt der Ladungskurve dient zum Laden der Gate-Quelle, die flache Periode wirkt dem Müller-Kondensator (Gate-Drain) entgegen.
- @JonRB Was würden Sie dann verwenden, um eine Schätzung zu erhalten? die Eingangskapazität? Es scheint, als wäre Ciss nur eine gültige Schätzung für Vgs von 0 bis kurz vor dem Erreichen der Plateau-Spannung. Und warum bekommen wir Ciss, wenn wir stattdessen die Gate-Ladung verwenden können, um eine viel engere Annäherung zu erhalten?
Antwort
Verlustleistung beim Ein- und Ausschalten
Sie könnten denken, dass der Transistor wird Heißer während dieser Übergänge hat etwas mit den internen Spannungen und Strömen und Kapazitäten des Transistors zu tun.
In der Praxis sind die internen Details des Schalters, solange Sie einen Schalter ausreichend schnell ein- oder ausschalten irrelevant. Wenn Sie den Schalter vollständig aus dem Stromkreis ziehen, hat das andere Material im Stromkreis zwangsläufig eine parasitäre Kapazität C zwischen den beiden Knoten, die der Schalter ein- und ausschaltet. Wenn Sie bei ausgeschaltetem Schalter einen Schalter jeglicher Art in diesen Stromkreis einstecken, lädt sich diese Kapazität auf eine Spannung V auf und speichert CV ^ 2/2 Watt Energie.
Egal welche Art von Schalter es ist Wenn Sie den Schalter einschalten, werden alle CV ^ 2/2 Watt Energie in diesem Schalter verbraucht. (Wenn es sehr langsam schaltet, wird möglicherweise noch mehr Energie in diesem Schalter verbraucht.)
Um die in Ihrem Mosfet-Schalter verbrauchte Energie zu berechnen, ermitteln Sie die gesamte externe Kapazität C, an die es angeschlossen ist (wahrscheinlich meistens parasitär) ) und die Spannung V, die die Klemmen des Schalters bis kurz vor dem Einschalten des Schalters aufladen. Die Energie, die in jeder Art von Schalter verbraucht wird, ist
- E_turn_on = CV / 2
bei jedem Einschalten.
Die Energie In den Widerständen, die das Gate antreiben, ist Ihr FET
- E_gate = Q_g V
wobei
- V = das Gate Spannungshub (nach Ihrer Beschreibung sind es 5 V)
- Q_g = die Ladungsmenge, die Sie durch den Gate-Pin drücken, um den Transistor ein- oder auszuschalten (laut FET-Datenblatt geht es darum) 10 nC bei 5 V)
Die gleiche E_gate-Energie wird beim Einschalten und erneut beim Ausschalten abgeführt.
Ein Teil dieser E_gate-Energie wird im Transistor und ein Teil im FET-Treiberchip abgeführt. Normalerweise verwende ich eine pessimistische Analyse, bei der die gesamte dieser Energie angenommen wird wird im Transistor abgeführt, und auch die gesamte dieser Energie wird im FET-Treiber abgeführt.
Wenn sich Ihr Schalter ausreichend schnell ausschaltet, ist die während des Ausschaltens verbrauchte Energie typischerweise unbedeutend im Vergleich zu Energie, die beim Einschalten verbraucht wird. Sie können eine Worst-Case-Grenze (für hochinduktive Lasten) von
- E_turn_off = IVt (Worst-Case)
setzen, wobei
- I ist der Strom durch den Schalter kurz vor dem Ausschalten,
- V ist die Spannung am Schalter unmittelbar nach dem Ausschalten und
- t ist die Schaltzeit von ein nach aus.
Dann ist die im Fet verbrauchte Leistung
- P = P_switching + P_on
wobei
- P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * Schaltfrequenz
- Die Schaltfrequenz gibt an, wie oft pro Sekunde Sie den Schalter betätigen
- P_on = IRd = the Verlustleistung bei eingeschaltetem Schalter
- I ist der durchschnittliche Strom bei eingeschaltetem Schalter,
- R ist der Einschaltwiderstand des FET und
- d ist der Bruchteil der Zeit, in der der Schalter eingeschaltet ist (verwenden Sie d = 0,999 für Worst-Case-Schätzungen).
Viele H-Brücken nutzen die (normalerweise unerwünschte) Body-Diode als eine Flyback-Diode zum Auffangen des induktiven Flyback-Stroms. Wenn Sie dies tun (anstatt externe Schottky-Catch-Dioden zu verwenden), müssen Sie auch die in dieser Diode verbrauchte Leistung hinzufügen.