Poortcapaciteit versus poortlading in n-ch FETs, en hoe vermogensdissipatie berekend kan worden tijdens het laden / ontladen van de poort

Zoals endolith zegt dat je naar de voorwaarden voor parameters moet kijken. de 30nC is een maximale waarde voor \ $ V_ {GS} \ $ = 10V. De grafiek op pagina 3 van de datasheet zegt typisch 10nC @ 5V, dan C = \ $ \ frac {10nC} {5V} \ $ = 2nF. Een andere grafiek ook op pagina 3 geeft een waarde van 1nF voor \ $ C_ {ISS} \ $. De discrepantie is dat de capaciteit niet constant is (daarom geven ze een ladingswaarde).

De poortweerstand zal inderdaad invloed hebben. De tijdconstante van de poort is (9 \ $ \ Omega \ $ + 3.6 \ $ \ Omega \ $) \ $ \ times \ $ 2nF = 25ns, in plaats van 9 \ $ \ Omega \ times \ $ 2nF = 18ns.

In theorie zal er een klein verschil zijn tussen in- en uitschakelen, want bij het uitschakelen begin je bij een hogere temperatuur. Maar als de tijd tussen aan en uit klein is (hier veel marge, praten we ongeveer tientallen seconden) is de temperatuur constant, en het kenmerk zal min of meer symmetrisch zijn.

Wat betreft uw zijvraag. Dit wordt meestal niet in datasheets gegeven, omdat de stroom afhangt van \ $ V_ { GS} \ $, \ $ V_ {DS} \ $ en temperatuur, en 4-dimensionale grafieken werken niet goed in twee dimensies. De enige oplossing is om het te meten. Een manier is om \ $ I_D \ $ en \ $ V_ {DS} \ $ grafieken tussen uit en aan en, vermenigvuldig beide en integreer. Deze overgang zal normaal snel gebeuren, dus je kunt waarschijnlijk maar over een paar punten meten, maar dat zou je een goede benadering moeten geven. Als u de overgang langzamer uitvoert, krijgt u meer punten, maar de temperatuur zal anders zijn en daarom zal het resultaat minder nauwkeurig zijn.

Verwijzend naar deze Fairchild app-opmerking over MOSFET-omschakeling , deze Infineon-notitie over verdienste , deze IR-notitie en mijn eigen ervaring:

\ $ Q_g \ $ kwantificeert de totale poortlading, die bestaat uit enkele samengevoegde elementen:

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

In termen van berekenen hoeveel stroom wordt gedissipeerd door de MOSFET in te schakelen, je kunt de Q = CV-relatie gebruiken om de effectieve poortcapaciteit te berekenen. De fabrikant publiceert dit cijfer vaak ook als \ $ C_ {iss} \ $.

De IR-opmerking vat het schakelverlies heel mooi samen. Tijdens het \ $ Q_ {gs} \ $ interval begint de MOSFET te dirigeren (\ $ I_D \ $ loopt op en \ $ V_ {DS} \ $ blijft hoog). Tijdens het \ $ Q_ {gd} \ $ -interval raakt de MOSFET verzadigd (\ $ V_ {DS} \ $ valt). De beste manier om het verlies te zien is, zoals eerder werd gesuggereerd, door \ $ V_ {DS} \ $ en \ $ I_D \ $ te meten. Dit EETimes-artikel beschrijft hoe het schakelverlies wiskundig kan worden berekend voor verschillende omstandigheden, die ik hier niet zal bespreken.

De MOSFET poortweerstand wordt toegevoegd met de externe weerstand die u heeft om de laadstroom te bepalen. In uw geval, aangezien u slechts tot 5V oplaadt, zult u de huidige capaciteit van uw driver niet maximaliseren.

Het ontladen van de poort is relatief identiek aan het opladen ervan, voor zover de drempels hetzelfde blijven. Als de inschakeldrempel 4V is en je laadt op tot 5V, kun je je voorstellen dat er een kleine asymmetrie zal zijn tussen de inschakeltijd en de uitschakeltijd, aangezien je slechts 1V ontlaadt om uit te schakelen. vs. 4V om in te schakelen.

Zoals in de eerdere opmerking is vermeld, is het vrij gebruikelijk om netwerken van weerstanden en diodes in MOSFET-stuurcircuits te zien om de in- en uitschakellaadstromen aan te passen.

De specificatie in het gegevensblad zegt V _GS = 10 V, dus nee. zou C = 30 nC / 10 V = 3 nF zijn. Maar dit is een absoluut maximum.

In plaats van een enkele capaciteitswaarde specificeren ze de capaciteit als een grafiek op pagina 3. De betekenissen van c _iss c _rss en c _oss worden gegeven in dit document figuur 5. Ik denk dat je het meest geeft om c _iss , wat ongeveer 900 pF is volgens de grafiek.

Opmerkingen

• – 1 met behulp van Ciss, Crss, Coss om de poortcapa te bepalen citaat om aldus de schakelverliezen te bepalen is onjuist. Ciss, Crss, Coss is de kleine signaalingangs- / uitgangscapaciteit
• @Naib: Hoe is de grote signaalcapaciteit anders en waar vind je een specificatie ervan?
• Nou Ciss, Crss, Coss wordt gedaan met een Vgs = 0V bij ongeveer 1MHz … Qgate en dus Cgate mag nooit worden berekend op basis van de IGBT- of MOSFET-ingangscapaciteitscijfers, dit zijn slechts ongeveer de 1e orde van de poortlaadcurve rond de oorsprong. De poortladingscurve van schakelinrichtingen is in hoge mate niet-lineair (fig5). Die vlakke periode is de miller plateu en verschijnt als een inf condensator. Het eerste lineaire deel van de ladingscurge moet worden gedaan met het opladen van de Gate-source, de vlakke periode gaat de millercondensator tegen (Gate-drain).
• @JonRB wat zou je dan gebruiken om een schatting te krijgen van de ingangscapaciteit? Het lijkt erop dat Ciss alleen een geldige schatting zou zijn voor Vgs van 0 tot net voordat de plateauspanning wordt bereikt. En waarom krijgen we Ciss als we in plaats daarvan de poortlading kunnen gebruiken om een veel betere benadering te krijgen?

vermogensdissipatie tijdens in- en uitschakelen

Je zou kunnen denken dat de transistor heter tijdens die overgangen heeft iets te maken met de interne spanningen en stromen en capaciteiten van de transistor.

In de praktijk, zolang je een schakelaar voldoende snel aan- of uitzet, zijn de interne details van de schakelaar irrelevant. Als je de schakelaar volledig uit het circuit trekt, heeft het andere spul in het circuit onvermijdelijk een parasitaire capaciteit C tussen de twee knooppunten die de schakelaar aan en uit zet. Wanneer je een schakelaar van welke soort dan ook in dat circuit steekt, terwijl de schakelaar uit staat, laadt die capaciteit op tot een bepaalde spanning V, waardoor CV ^ 2/2 watt aan energie wordt opgeslagen.

Het maakt niet uit wat voor soort schakelaar het is. is, wanneer u de schakelaar aanzet, wordt alle CV ^ 2/2 watt aan energie in die schakelaar afgevoerd. (Als hij heel langzaam schakelt, wordt er misschien nog meer energie gedissipeerd in die schakelaar).

Om de energie te berekenen die in je mosfet-schakelaar wordt gedissipeerd, moet je de totale externe capaciteit C bepalen waaraan hij is verbonden (waarschijnlijk meestal parasitair ), en de spanning V die de klemmen van de schakelaar opladen net voordat de schakelaar wordt ingeschakeld. De energie die wordt gedissipeerd in elke soort schakelaar is

• E_turn_on = CV / 2

bij elke inschakeling.

De energie gedissipeerd in de weerstanden die de poort aandrijven, is je FET

• E_gate = Q_g V

waar

• V = de poort voltage swing (uit uw beschrijving, het is 5 V)
• Q_g = de hoeveelheid lading die u door de poortpin duwt om de transistor in of uit te schakelen (uit het FET-gegevensblad gaat het over 10 nC bij 5 V)

Dezelfde E_gate-energie wordt gedissipeerd tijdens het inschakelen en opnieuw tijdens het uitschakelen.

Een deel van die E_gate-energie wordt gedissipeerd in de transistor en een deel wordt gedissipeerd in de FET-driverchip – ik gebruik meestal een pessimistische analyse die al aanneemt wordt gedissipeerd in de transistor, en ook al wordt die energie gedissipeerd in de FET-driver.

Als je schakelaar voldoende snel uitschakelt, wordt de energie die tijdens het uitschakelen gedissipeerd wordt onbeduidend vergeleken met de energie die tijdens het inschakelen wordt gedissipeerd. Je zou een worst-case-gebonden (voor zeer inductieve belastingen) kunnen plaatsen van

• E_turn_off = IVt (worst case)

waar

• I is de stroom door de schakelaar net voor het uitschakelen,
• V is de spanning over de schakelaar net na het uitschakelen, en
• t is de schakeltijd van aan tot uit.

Dan is het vermogen dat in de fet wordt gedissipeerd

• P = P_switching + P_on

waar

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * schakelfrequentie
• schakelfrequentie is het aantal keren per seconde dat u de schakelaar omschakelt
• P_on = IRd = de vermogen gedissipeerd terwijl de schakelaar is ingeschakeld
• I is de gemiddelde stroom wanneer de schakelaar is ingeschakeld,
• R is de weerstand in de toestand van de FET, en
• d is de fractie van de tijd dat de schakelaar aan staat (gebruik d = 0.999 voor schattingen in het slechtste geval).

Veel H-bruggen maken gebruik van de (meestal ongewenste) lichaamsdiode als een flyback-diode om de inductieve flyback-stroom op te vangen. Als u dat doet (in plaats van externe Schottky-vangdiodes te gebruiken), moet u ook het door die diode gedissipeerde vermogen toevoegen.