Capacitância do portão vs. carga do portão em n-ch FETs e como calcular a dissipação de energia durante o carregamento / descarregamento do portão

Como o endolith diz, você deve olhar as condições dos parâmetros. os 30nC são um valor máximo para \ $ V_ {GS} \ $ = 10V. O gráfico na página 3 da folha de dados diz normalmente 10nC @ 5V, então C = \ $ \ frac {10nC} {5V} \ $ = 2nF. Outro gráfico também na página 3 fornece um valor de 1nF para \ $ C_ {ISS} \ $. A discrepância é porque a capacitância não é constante (é por isso que eles fornecem um valor de carga).

A resistência do portão realmente terá uma influência. A constante de tempo do portão será (9 \ $ \ Omega \ $ + 3,6 \ $ \ Omega \ $) \ $ \ times \ $ 2nF = 25ns, em vez de 9 \ $ \ Omega \ times \ $ 2nF = 18ns.

Em teoria, haverá uma pequena diferença entre ligar e desligar, porque ao desligar você começa com uma temperatura mais alta. Mas se o tempo entre ligar e desligar for pequeno (muita margem aqui, conversamos cerca de dezenas de segundos) a temperatura é constante, e a característica será mais ou menos simétrica.

Sobre sua pergunta lateral. Isso geralmente não é dado em planilhas de dados, porque a corrente dependerá de \ $ V_ { GS} \ $, \ $ V_ {DS} \ $ e temperatura, e gráficos quadridimensionais não funcionam bem em duas dimensões. A única solução é medi-lo. Uma maneira é registrar \ $ I_D \ $ e \ $ V_ {DS} \ $ gráficos entre desativado e ativado e, multiplique ambos e integre. Essa transição normalmente acontecerá rápido, então você provavelmente poderá medir apenas alguns pontos, mas isso deve fornecer uma boa aproximação. Fazer a transição mais lentamente renderá mais pontos, mas a temperatura será diferente e, portanto, o resultado será menos preciso.

Referenciando esta nota do aplicativo Fairchild sobre troca MOSFET , esta nota da Infineon sobre figura de mérito , esta nota de RI e minha própria experiência:

\ $ Q_g \ $ quantifica a carga total do portão, que é composta de alguns elementos concentrados:

• \ $ Q_ {gs} \ $ (portão para -source)
• \ $ Q_ {gd} \ $ (gate-to-dreno)

Em termos de cálculo de quanta energia é dissipada ligando o MOSFET, você pode usar a relação Q = CV para descobrir a capacitância efetiva da porta. O fabricante frequentemente também publica esta figura como \ $ C_ {iss} \ $.

A nota de IR resume muito bem a perda de comutação. Durante o intervalo \ $ Q_ {gs} \ $, o MOSFET começa a conduzir (\ $ I_D \ $ aumenta e \ $ V_ {DS} \ $ permanece alto). Durante o intervalo \ $ Q_ {gd} \ $, o MOSFET fica saturado (\ $ V_ {DS} \ $ cai). A melhor maneira de ver a perda é, como foi sugerido anteriormente, medir \ $ V_ {DS} \ $ e \ $ I_D \ $. Este artigo do EETimes descreve como calcular matematicamente a perda de comutação para uma variedade de condições, que não vou entrar em detalhes aqui.

O MOSFET a resistência da porta é adicionada com qualquer resistência externa que você tenha para determinar a corrente de carga. No seu caso, como você está carregando apenas até 5 V, você não irá maximizar a capacidade atual do seu driver.

Descarregar o portão é relativamente idêntico a carregá-lo, na medida em que os limites permanecem os mesmos. Se o limiar de ativação é 4 V e você carrega até 5 V, você pode imaginar que haverá alguma pequena assimetria no tempo de ativação em relação ao tempo de desativação, uma vez que você está descarregando apenas 1 V para obter o desligamento vs. 4V para ligar.

De acordo com o comentário anterior, é bastante comum ver redes de resistores e diodos em circuitos de acionamento MOSFET para ajustar as correntes de carga para ligar e desligar.

A especificação na folha de dados diz V _GS = 10 V, portanto, não. seria C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Mas este é um máximo absoluto.

Em vez de um único valor de capacitância, eles especificam a capacitância como um gráfico na página 3. Os significados de c _iss c _rss e c _oss são fornecidos na figura 5 deste documento. Acho que você se preocupa mais com c _iss , que é cerca de 900 pF de acordo com o gráfico.

Comentários

• – 1 usando Ciss, Crss, Coss para determinar a capa da porta citância para assim determinar as perdas de comutação está incorreta. Ciss, Crss, Coss é a capacitância de entrada / saída de sinal pequeno
• @Naib: Como a capacitância de sinal grande é diferente e onde você encontraria uma especificação dela?
• Bem Ciss, Crss, Coss é feito com um Vgs = 0V em torno de 1MHz … Qgate e, portanto, Cgate nunca deve ser calculado a partir dos valores de capacitância de entrada IGBT ou MOSFET, estes são apenas 1ª ordem aprox da curva de gatecharge em torno da origem. A curva de carga da porta dos dispositivos de comutação é altamente não linear (fig. 5). Esse período plano é o miller plateu e aparece como um capacitor inf. A 1ª seção linear da curva de carga é feita com o carregamento do Gate-source, o período flat está contrariando o capacitor miller (Gate-dreno).
• @JonRB o que você usaria para obter uma estimativa de a capacitância de entrada? Parece que Ciss seria apenas uma estimativa válida para Vgs de 0 até pouco antes de atingir o platô de tensão. E por que recebemos Ciss se podemos usar a carga do portão para obter uma aproximação muito mais próxima?

dissipação de energia durante ligar e desligar

Você pode pensar que o transistor está recebendo mais quente durante essas transições tem algo a ver com as tensões e correntes internas e capacitâncias do transistor.

Na prática, desde que você ligue ou desligue uma chave suficientemente rápido, os detalhes internos da chave são irrelevante. Se você puxar a chave completamente para fora do circuito, as outras coisas no circuito inevitavelmente terão alguma capacitância parasita C entre os dois nós que a chave liga e desliga. Quando você insere uma chave de qualquer tipo nesse circuito, com a chave desligada, essa capacitância carrega até alguma tensão V, armazenando CV ^ 2/2 watts de energia.

Não importa o tipo de chave. ou seja, quando você liga a chave, todos os CV ^ 2/2 watts de energia são dissipados nessa chave. (Se ele mudar muito devagar, então talvez ainda mais energia seja dissipada nesse switch).

Para calcular a energia dissipada em seu switch mosfet, encontre a capacitância externa total C à qual ele está ligado (provavelmente principalmente parasita ), e a tensão V que os terminais do switch carregam imediatamente antes de o switch ligar. A energia dissipada em qualquer tipo de interruptor é

• E_turn_on = CV / 2

a cada ativação.

A energia dissipado nas resistências que conduzem o portão, seu FET é

• E_gate = Q_g V

onde

• V = o portão oscilação de tensão (de sua descrição, é 5 V)
• Q_g = a quantidade de carga que você empurra através do pino do gate para ligar ou desligar o transistor (da folha de dados do FET, é sobre 10 nC a 5 V)

A mesma energia E_gate é dissipada durante a ativação e novamente durante a desativação.

Parte da energia do E_gate é dissipada no transistor, e parte dela é dissipada no chip do driver FET – eu geralmente uso uma análise pessimista que assume toda essa energia é dissipado no transistor, e também toda essa energia é dissipada no driver FET.

Se sua chave desligar rapidamente, a energia dissipada durante o desligamento é normalmente insignificante em comparação com a energia dissipada durante a ativação. Você poderia colocar um limite de pior caso (para cargas altamente indutivas) de

• E_turn_off = IVt (pior caso)

onde

• I é a corrente na chave antes de desligar,
• V é a tensão na chave logo depois de desligar e
• t é o tempo de mudança de ligado para desligado.

Então, a potência dissipada no feto é

• P = P_switching + P_on

onde

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * switching_frequency
• switching_frequency é o número de vezes por segundo que você liga o switch
• P_on = IRd = o potência dissipada enquanto a chave está ligada
• I é a corrente média quando a chave está ligada,
• R é a resistência no estado do FET, e
• d é a fração de tempo em que a chave está ligada (use d = 0,999 para estimativas de pior caso).

Muitas pontes H aproveitam o (geralmente indesejado) diodo corporal como um diodo flyback para capturar a corrente flyback indutiva. Se você fizer isso (ao invés de usar diodos de captura Schottky externos), você também precisará adicionar a potência dissipada nesse diodo.