Comprensión del proceso de encendido de MOSFET

Un proceso de encendido del MOSFET calculado correctamente garantiza que el dispositivo se encienda con una eficiencia óptima.

Al diseñar circuitos basados ​​en MOSFET, es posible que se haya preguntado cuál es la forma correcta de encender un MOSFET. O simplemente, ¿cuál es el voltaje mínimo que se debe aplicar a través de la puerta / fuente del dispositivo para encenderlo perfectamente?

Aunque para muchos sistemas digitales esto podría no ser un problema, los sistemas de 5V como DSP, FPGA y Arduinos requieren impulsar sus resultados para una condición de conmutación óptima para el MOSFET conectado.

Y en estas situaciones, el diseñador comienza a mirar las especificaciones del MOSFET para obtener los datos de voltaje umbral. El diseñador supone que el MOSFET se encenderá y cambiará de estado cuando se cruce este nivel de umbral.

Sin embargo, esto puede no ser tan simple como parece.

¿Qué es el voltaje de umbral V?_{GS (th)}

En primer lugar, debemos darnos cuenta de que el voltaje umbral, denotado como V_{GS (th)}no es para que los diseñadores de circuitos se preocupen.

Para ser precisos, es el voltaje de la puerta lo que hace que la corriente de drenaje del MOSFET cruce un nivel de umbral de 250 μA, y esto se prueba en condiciones que normalmente nunca suceden en aplicaciones prácticas.

Durante cierto análisis, se utiliza una constante de 5 V para las pruebas del dispositivo mencionadas anteriormente. Pero esta prueba normalmente se implementa con la puerta y el drenaje del dispositivo conectados o en cortocircuito entre sí. Puede obtener fácilmente esta información en la hoja de datos, por lo que no hay nada misterioso en esta prueba.

La tabla anterior indica los niveles de umbral y las condiciones de prueba relevantes para un ejemplo de MOSFET.

Para una aplicación deseada, el diseñador podría estar preocupado por una situación temida conocida como voltaje de puerta 'inducido', que puede ser un problema grave, por ejemplo, en un MOSFET de lado bajo de convertidor buck síncrono .

Como se discutió anteriormente, aquí también debemos entender que cruzar el umbral V_{GS (th)}Es posible que el nivel no obligue al dispositivo a funcionar en una condición de falla por disparo. Este nivel en realidad le dice al diseñador sobre el umbral en el que el MOSFET comienza a encenderse y no es una situación en la que las cosas terminen por completo.

Puede ser aconsejable que mientras el MOSFET esté en la condición de APAGADO, el voltaje de la puerta se mantenga por debajo de la V_{GS (th)}nivel, para evitar fugas de corriente. Pero mientras lo enciende, este parámetro puede simplemente ignorarse.

Curva característica de transferencia

Encontrará otro diagrama de curvas llamado características de transferencia en las hojas de datos del MOSFET que explican su comportamiento de encendido en respuesta al aumento del voltaje de la puerta.

Para ser precisos, esto puede estar más relacionado con el análisis de la variación de corriente con respecto al voltaje de la puerta y la temperatura de la carcasa del dispositivo. En este análisis el V_DSse mantiene a un nivel fijo pero alto, alrededor de 15 V, lo que puede no revelarse en las especificaciones de la hoja de datos.

Si nos referimos a la curva como se muestra arriba, nos damos cuenta de que para una corriente de drenaje de 20 amperios, el voltaje de puerta a fuente de 3.2 V puede no ser adecuado.

La combinación daría como resultado un VDS de 10 V típicamente con una disipación de 200 vatios.

Los datos de la curva de transferencia pueden ser útiles para los MOSFET operados en el rango lineal, sin embargo, los datos de la curva pueden tener menos importancia para los MOSFET en aplicaciones de conmutación.

Características de salida

La curva que revela los datos reales con respecto a la condición completamente ENCENDIDA de un MOSFET se conoce como la curva de salida como se muestra a continuación:

Aquí, para los distintos niveles de V_GSla caída hacia adelante del MOSFET se mide en función de la corriente. Los ingenieros de dispositivos utilizan estos datos de curva para confirmar el nivel óptimo de voltaje de la puerta.

Para cada nivel de voltaje de la puerta que asegura un encendido completo del MOSFET [R_{DS (activado)}], obtenemos un rango de caídas de voltaje (V_GS) a través del drenaje a la fuente con una respuesta estrictamente lineal con la corriente de drenaje. El rango comienza desde cero hacia arriba.

Para voltajes de puerta más bajos (V_GS), cuando la corriente de drenaje aumenta, encontramos que la curva pierde la respuesta lineal, se mueve a través de la 'rodilla' y luego se vuelve plana.

Los detalles de la curva anterior nos proporcionan las características de salida completas para un rango de voltajes de puerta de 2.5 V a 3.6 V.

Los usuarios de MOSFET normalmente pueden contemplar esto como la función lineal. Sin embargo, en contraste, los ingenieros de dispositivos pueden preferir prestar más atención a la región gris del gráfico que sugiere la región de saturación actual para el voltaje de puerta aplicado.

Revela los datos actuales que han tocado el punto de saturación o el límite de saturación. En este punto, si la V_DSaumenta dará como resultado un aumento marginal en la corriente, pero un pequeño aumento en la corriente de drenaje puede conducir a una V mucho mayor_DS.

Para niveles de voltaje de puerta aumentados, que permiten que el MOSFET se encienda completamente, el área sombreada en verde nos mostrará el punto de operación para el proceso, indicado como región resistiva (u óhmica).

Tenga en cuenta que las curvas aquí muestran solo los valores típicos y no incluyen ningún límite mínimo o máximo.

Mientras opera a temperaturas ambiente más bajas, el dispositivo requerirá un voltaje de puerta más alto para permanecer en la región resistiva, que puede subir a una tasa de 0.3% / ° C.

¿Qué es MOSFET RDS (activado)?

Cuando los ingenieros de dispositivos tengan que encontrar las características de salida del MOSFET, esencialmente querrán aprender sobre el R_{DS (activado)}del dispositivo con referencia a las condiciones de funcionamiento específicas.

Generalmente, esto puede ser una mezcla de V_GSy yo_DSa través del área donde la curva se ha desviado de la línea recta hacia la parte indicada por el tono gris.

Considerando el ejemplo discutido anteriormente, un voltaje de puerta de 3.1 V con una corriente inicial de 10 amperios, los ingenieros sabrán que el R_{DS (activado)}tenderá a ser mayor que el valor estimado. Dicho esto, ¿esperamos que el fabricante de MOSFET proporcione datos aproximados al respecto?

Con ambas cantidades V_DSy yo_DSfácilmente obtenible en la curva, puede resultar demasiado atractivo, y a menudo se rinde, dividir las dos cantidades en la resultante R_{DS (activado)}.

Sin embargo, lamentablemente no tenemos una R_{DS (activado)}para la evaluación aquí. Parece no estar disponible para las situaciones mencionadas, ya que para cualquier sección del linea de carga representar una resistencia tiene que atravesar el origen de forma lineal.

Dicho esto, puede ser posible simular la línea de carga en una forma agregada como una resistencia no lineal.

Como mínimo, esto garantizará que cualquier comprensión del trabajo práctico se mantenga en el origen (0, 0).

Características de la curva de carga de la puerta

Son los datos de la curva de carga de la puerta los que realmente nos dan una pista real sobre las especificaciones de encendido del MOSFET como se muestra en la figura a continuación :

Aunque la curva anterior es una inclusión estándar en todas las hojas de datos de MOSFET, el usuario de MOSFET rara vez comprende las indicaciones subyacentes.

Además, el avance moderno en los diseños de MOSFET, como trincheras y puertas blindadas, requieren un direccionamiento revisado de los datos.

Por ejemplo, la especificación denominada 'gate-charge' puede parecer un poco engañosa por sí misma.

Las secciones lineales y divididas de la curva no aparecen como voltaje que carga un condensador, independientemente de cuánto valor no lineal pueda exhibir.

Para ser precisos, la curva de carga de la puerta significa un dato asociado de dos condensadores no paralelos, que tienen magnitudes diferentes y llevan diferentes niveles de voltaje.

En teoría, la capacitancia funcional atestiguada desde el terminal de puerta MOSFET se define con la ecuación:

C_iss= C_gs+ C_gd

donde C_iss= capacitancia de la puerta, C_gs= capacitancia de la fuente de puerta, C_gd= capacitancia de drenaje de la puerta

Aunque puede parecer bastante simple medir esta unidad y especificar en las hojas de datos, debe tenerse en cuenta que el término C_issen realidad no es una capacitancia real.

Puede ser completamente incorrecto pensar que un MOSFET se enciende simplemente a través de un voltaje aplicado en la 'capacitancia de la puerta C_iss'.

Como se indica en la figura anterior, justo antes de que un MOFET se encienda, la capacitancia de la puerta no tiene carga, pero la capacitancia en el drenaje de la puerta C_gdposee una carga negativa que debe eliminarse.

Ambas capacitancias tienen una naturaleza no lineal y sus valores varían en gran medida a medida que varían los voltajes aplicados.

Por lo tanto, es importante tener en cuenta que son las cargas almacenadas del MOSFET las que determinan sus características de conmutación, y no el valor de capacitancia para un nivel de voltaje específico.

Dado que los dos elementos de capacitancia que constituyen C_isstienen diferentes atributos físicos, tienden a cargarse con niveles de voltaje diferentes, lo que requiere que el proceso de encendido del MOSFET también pase por dos etapas.

La secuencia precisa puede ser diferente para aplicaciones resistivas e inductivas, pero normalmente la mayoría de las cargas prácticas son altamente inductivas, el proceso podría simularse como se muestra en la siguiente figura:

Secuencia de tiempo de carga de puerta

Las secuencias de tiempo de carga de la puerta del MOSFET se pueden estudiar en el siguiente diagrama:

Puede entenderse con la siguiente explicación:

1. T0 - T1: C_gscargas de cero a V_{GS (th)}... V_DSo yo_DSno pasa por ningún cambio.
2. T1-T2, la corriente comienza a aumentar en el MOSFET en respuesta al aumento del voltaje de la puerta de V_{GS (th)}hasta el voltaje de meseta V_gp.
3. Aquí, IDS aumenta y alcanza la corriente de carga completa desde 0 V, aunque V_DSpermanece inalterado y constante. La carga asociada se forma a través de la integral de C_gsde 0 V a V_gpy Q_gsdado en las hojas de datos.
4. T2 - T3: observe la región plana entre T2 y T3, se llama la meseta de Miller.
5. Antes del encendido, C_gdse carga y aguanta la tensión de alimentación V_EN, hasta que yo_DSalcanza el valor pico I (carga) en T2.
6. El tiempo entre el período T2 y T3, la carga negativa (V_EN- V_gp) se convierte en carga positiva con respecto al voltaje de meseta V_gp.
7. Esto también se puede visualizar como la caída del voltaje de drenaje de V_ENalrededor de casi cero.
8. La carga involucrada es igual a alrededor de la C_gdintegral de 0 a V_en, que se muestra como Q_gden hojas de datos.
9. Durante T3 - T4, el voltaje de la puerta sube de V_gpa V_GS, y aquí apenas encontramos cambios para V_DSy yo_DS, pero la eficaz R_{DS (activado)}cae ligeramente a medida que aumenta el voltaje de la puerta. A algún nivel de voltaje por encima de V_gp, proporciona a los fabricantes suficiente confianza para fijar el límite superior en la R efectiva_{DS (activado)}.

Para cargas inductivas

El aumento de corriente en el canal MOSFET debido a una carga inductiva debe completarse antes de que el voltaje comience a caer.

Al comienzo de la meseta, el MOSFET está en el estado APAGADO, en presencia de una alta corriente y voltaje entre el drenaje y la fuente.

Entre el tiempo T2 y T3, una carga Q_gdse aplica a la puerta del MOSFET, donde la característica del MOSFET se transforma de corriente constante a modo de resistencia constante al final.

Cuando ocurre la transición anterior, no hay cambios notables en el voltaje de la puerta V_gptiene lugar.

Esta es la razón por la que nunca es una buena idea relacionar un proceso de encendido de un MOSFET con un nivel particular de voltaje de puerta.

Lo mismo puede ser cierto para el proceso de apagado, que exige que las mismas dos cargas (discutidas anteriormente) sean eliminadas de la puerta del MOSFET en el orden opuesto.

Velocidad de conmutación MOSFET

Mientras Q_gsmás Q_gdjuntos aseguran que el MOSFET se encienda completamente, no nos dice qué tan rápido sucederá esto.

La rapidez con que cambiará la corriente o el voltaje se decide por la velocidad a la que se aplican o eliminan los elementos de carga en la puerta. Esto también se denomina corriente de accionamiento de la puerta.

Aunque una tasa de subida y bajada rápida asegura menores pérdidas de conmutación en los MOSFET, estas también pueden dar lugar a complicaciones a nivel del sistema relacionadas con voltajes máximos aumentados, oscilaciones e interferencias electromagnéticas, especialmente durante los instantes de apagado de la carga inductiva.

El voltaje que cae linealmente que se muestra en la Figura 7 anterior logra tomar un valor constante de Cgd, lo que difícilmente puede suceder con los MOSFET en aplicaciones prácticas.

Para ser precisos, la carga de drenaje de compuerta C_gdpara un MOSFET de superunión de alto voltaje como SiHF35N60E exhibe una respuesta lineal significativamente alta, como se puede ver en la siguiente figura:

El rango de variación que existe en el valor de C_rss(transferencia inversa) es más de 200: 1 dentro de los 100 V iniciales. Debido a esto, el tiempo de caída real del voltaje contra la curva de carga de la puerta se parece más a la línea discontinua que se muestra en color rojo en la figura 7.

A voltajes más altos, los tiempos de subida y bajada de las cargas, junto con sus valores equivalentes de dV / dt, dependen más del valor de C_rss, en lugar de la integral de toda la curva indicada como Q_gd.

Cuando los usuarios desean comparar las especificaciones de MOSFET dentro de diferentes entornos de diseño, deben darse cuenta de que MOSFET con la mitad de Q_gdEl valor no necesariamente contará con una tasa de conmutación dos veces más rápida o un 50% menos de pérdidas de conmutación.

Esto se debe a que, según la C_gdcurva y su magnitud a voltajes más altos, es muy posible que un MOSFET tenga un Qgd bajo en la hoja de datos, pero sin ningún aumento en la velocidad de conmutación.

Resumiendo

En la implementación real, el encendido de un MOSFET ocurre a través de una serie de procesos, y no con un parámetro predeterminado.

Los diseñadores de circuitos deben dejar de imaginar que V_{GS (th)}, o los niveles de voltaje podrían usarse como voltaje de puerta para cambiar la salida del MOSFET de alto a bajo R_{DS (activado)}.

Puede ser inútil pensar en tener una R_{DS (activado)}por debajo o por encima de un nivel de voltaje de puerta específico, ya que el nivel de voltaje de puerta no decide intrínsecamente el encendido de un MOSFET. Más bien son los cargos Q_gsy Q_gdintroducido en el MOSFET que ejecuta el trabajo.

Puede encontrar que el voltaje de la puerta se eleva por encima de V_{GS (th)}y V_gpdurante el proceso de carga / descarga, pero estos no son tan importantes.

Del mismo modo, la rapidez con la que el MOSFET actual puede encenderse o apagarse puede ser una función compleja de Q_gso Q_gd.

Para evaluar las velocidades de conmutación del MOSFET, especialmente los MOSFET avanzados, el diseñador debe realizar un estudio exhaustivo sobre la curva de carga de la puerta y la característica de capacitancia del dispositivo.

Referencia: https://www.vishay.com/