МОП-транзистор: Когда мы не можем предположить, что ток затвора равен 0?
14
Общее практическое правило, которое вы слышите при изучении электротехники, заключается в том, что ток затвора полевого МОП-транзистора всегда равен приблизительно 0. Когда небезопасно предполагать, что он равен 0?
Затвор полевого транзистора может иметь резистор подтягивания / опускания, так как он потребляет больше тока утечки затвора.
Тыблу
Ответы:
21
В переходных условиях ток затвора будет ненулевым, так как вам необходимо зарядить (или разрядить) емкость затвора, а для этого требуется ток. Чем больше ток затвора, тем быстрее изменяется напряжение затвора и быстрее переключается устройство. Как только переход переключателя завершен, ток затвора приближается к нулю (и в основном это ток утечки).
Для низких частот переключения (ШИМ) среднеквадратичный ток затвора будет низким. Более высокие частоты переключения увеличат среднеквадратичное значение тока.
Все аспекты этого ответа придают очень сильное чувство дежавю :-)
Рассел МакМахон
«Более высокие частоты переключения увеличат среднее значение абсолютного значения тока ». Средний ток не зависит от частоты.
Телаклаво
1
Все аспекты этого ответа придают очень сильное чувство дежавю :-) :-)
Рассел МакМахон
@Telaclavo - средний ток не будет зависеть от частоты в течение любого достаточного периода времени, потому что он (в идеале) равен нулю. Любое ненулевое значение будет означать, что заряды накапливаются непрерывно, и шлюз не может хранить бесконечное количество зарядов. Однако абсолютного значения нет. Более высокие частоты подразумевают, что одни и те же заряды перемещаются в затвор и из него с более высокой скоростью, то есть с более высоким абсолютным током.
отмечает Томас
@Telaclavo - хороший улов; Я изменил среднее значение на среднеквадратичное значение ...
madrivereric
14
Самым важным исключением обычно является не утечка статического электричества, а зарядка или разрядка емкости затвора для ее включения или выключения.
Ток затвора от 0,1 до 1 А обычно требуется для зарядки и разрядки емкости затвора в достаточно быстрое время.
Слишком быстро приводит к дополнительным потерям.
Слишком медленный приводит к тому, что полевой транзистор находится в активном резистивном состоянии между выключенным и включенным и рассеивает очень значительные количества энергии по сравнению с тем, что может быть достигнуто при правильной конструкции.
Вот почему требуются драйверы затворов, и поэтому вы не можете просто управлять затвором MOSFET на высоких частотах от вывода микроконтроллера, который обычно способен выдавать от 1 до 30 мА, даже если требования к напряжению хорошо соблюдены.
_______________________________-
Связанные - токи привода затвора MOSFET:
Часто не принимается во внимание, что для полевого МОП-транзистора, переключаемого на частоте 10 кГц плюс, могут потребоваться токи возбуждения затвора в диапазоне 0,1–1 А для достижения достаточного времени переключения - в некоторой степени зависящего от области применения. На многих 10 кГц привод затвора на более высоком конце диапазона будет обычным явлением.
Таблицы MOSFET определяют заряд затвора и емкость затвора. Емкости обычно находятся в диапазоне «несколько нанофарад», а заряд затвора обычно составляет несколько десятков наноуломб, а входная емкость обычно составляет наноФард или несколько.
Используя параметрический селектор Digikeys, я просто поднастроил N-канальные МОП-транзисторы с напряжением 60-100 В и 10-20 А.
Заряд затвора составлял всего 3,4 нКл, а входная емкость = 256 пФ и
до 225 нК с входной емкостью 5700 пФ,
нижний средний квартиль = 18 нК, 870 пФ и
верхним средним квартилем = 46 нК и 1200 пФ
Этот заряд должен быть "накачан" в и из емкости затвора.
Если вы работаете с широтно-импульсной модуляцией, скажем, 10 кГц, то 1 цикл = 100 мкс, так что вы надеетесь, что время переключения составляло небольшую часть этого. Если вы хотите зарядить или разрядить несколько нФ до нуля и обычно от 3 В до 12 В, тогда необходимо иметь как минимум 100 мА привода.
1 кулон = 1 ампер / с, поэтому для 10 нК требуется значение 1 A для 0,01 мкСм или значение 0,1A для 0,1 мкСм. Ужасный выброс MOSFET выше с зарядом затвора 225 нК потребует 0,225 мкс для зарядки при 1A и 2,25 мкс при 0,1A. Причина, по которой этот полевой транзистор намного хуже, чем у большинства, заключается в том, что я «особенный - это устройство с режимом истощения 100 В 16 А , которое обычно включено без напряжения на затворе и требует отрицательного напряжения на затворе для его выключения. Однако все же можно» например, 60 В, 20 А с зарядом затвора 100+ нК.
Эта более обычная деталь 60 В 14 А имеет максимальный заряд затвора 18 нК. Управляйте этим от булавки порта микроконтроллера в 10 мА, и это займет! 1,8 мкс для зарядки конденсатора затвора - вероятно, допустимо при 10 кГц и очень плохо при 100 кГц. С временем переключения подъема и спада 110 и 41 нс при «правильном управлении» вы бы предпочли, чтобы время зарядки затвора превышало ~ 2 мкс, чтобы переключать его где-нибудь вблизи его верхних пределов.
Пример:
200 НС драйвер верхнего уровня ворот:
Источник этой схемы не определен - я думаю, через участника PICList. Можно проверить, если кто-нибудь заботится. Обратите внимание, что эта схема значительно «умнее», чем может показаться. (Олин любит входное расположение, используемое здесь). Размах ~ = 3 В на R14 вызывает размах около 15 В на R15, поэтому базы Q14 / Q15 размахиваются от + 30 В до + 15 В, обеспечивая ~ 15 В, если затвор с высокой стороны движется к МОП-транзистору с каналом Р.
Какой тип МОП-транзисторов вы описываете? (Re: «... обычно требуется ...».)
tyblu
@tyblu - Практически любой вид силового полевого МОП-транзистора переключает больше, чем тривиальные токи. Скажи несколько сотен мА вверх. Посмотрите на листы данных для заряда затвора и емкости затвора. Этот заряд должен быть "накачан" в и из емкости затвора. Если вы работаете с широтно-импульсной модуляцией, скажем, 10 кГц, то 1 цикл = 100 мкс, так что вы надеетесь, что время переключения составляло небольшую часть этого. Если вы хотите зарядить или разрядить несколько NF от нуля до обычно от 3 В до 12 В, тогда необходимо иметь как минимум 100 мА привода.
Рассел МакМахон
Ах, силовые транзисторы. Используется для <500mA Ids, где вход <1nF. Обратите внимание, что в технических характеристиках указанные емкости затвора всегда находятся на определенной частоте (например, 1 МГц).
Тыблу
10
Проверьте таблицу. Для этого MOSFET они определяют ток утечки затвора до источника максимум 100 нА. Например, если вы управляете полевым транзистором от операционного усилителя, вы можете игнорировать это. Если вы используете какое-то статическое напряжение с очень низким зарядом, 100 нА может быть слишком много. Все зависит от вашего приложения, но в большинстве случаев этот статический ток будет незначительным. Включение и выключение приведет к гораздо большему пику тока для зарядки и разрядки емкости затвора.
Гипотетическая ситуация: скажем, вы хотели реализовать контрольно-измерительные приборы / измерения напряжений, генерируемых очень маленькими зарядами. (Заряды, которые могут быть истощены даже небольшим током через очень высокий импеданс.)
Вот некоторые формы сигналов, которые указывают на некоторые переходные свойства большого MOSFET. Ток затвора становится высоким во время переключения и может вызвать падение напряжения на затворе. (черная линия)
.
График хорош, но нуждается в дополнительной аннотации ...
tyblu
0
Я думаю, что это обобщение происходит от сравнения MOSFET с BJT с точки зрения идеализированного приложения усиления.
«BJT - это устройство, управляемое током (ток коллектора, управляющий током базы, базовое напряжение, зафиксированное на прямом падении PN), в то время как MOSFET - это устройство с трансдуктивностью (ток базы незначителен, ток коллектора контролирует базовое напряжение)», как говорит учитель ,
Когда вы говорите об «установившихся» усилителях (без жесткого переключения или больших скачков смещения), предположение о «нулевом базовом токе» остается достаточно верным, чтобы позволить вам выполнять значимую работу.
Когда вы вводите высокочастотное жесткое переключение, как уже отмечали другие, в поведении преобладают собственные емкости MOSFET (т. Е. Потребляемый базовый ток является функцией зарядки и разрядки емкости затвора), поэтому предположение «нулевой ток» становится недействительным.
Ответы:
В переходных условиях ток затвора будет ненулевым, так как вам необходимо зарядить (или разрядить) емкость затвора, а для этого требуется ток. Чем больше ток затвора, тем быстрее изменяется напряжение затвора и быстрее переключается устройство. Как только переход переключателя завершен, ток затвора приближается к нулю (и в основном это ток утечки).
Для низких частот переключения (ШИМ) среднеквадратичный ток затвора будет низким. Более высокие частоты переключения увеличат среднеквадратичное значение тока.
источник
Самым важным исключением обычно является не утечка статического электричества, а зарядка или разрядка емкости затвора для ее включения или выключения.
Ток затвора от 0,1 до 1 А обычно требуется для зарядки и разрядки емкости затвора в достаточно быстрое время.
Слишком быстро приводит к дополнительным потерям.
Слишком медленный приводит к тому, что полевой транзистор находится в активном резистивном состоянии между выключенным и включенным и рассеивает очень значительные количества энергии по сравнению с тем, что может быть достигнуто при правильной конструкции.
Вот почему требуются драйверы затворов, и поэтому вы не можете просто управлять затвором MOSFET на высоких частотах от вывода микроконтроллера, который обычно способен выдавать от 1 до 30 мА, даже если требования к напряжению хорошо соблюдены.
_______________________________-
Связанные - токи привода затвора MOSFET:
Часто не принимается во внимание, что для полевого МОП-транзистора, переключаемого на частоте 10 кГц плюс, могут потребоваться токи возбуждения затвора в диапазоне 0,1–1 А для достижения достаточного времени переключения - в некоторой степени зависящего от области применения. На многих 10 кГц привод затвора на более высоком конце диапазона будет обычным явлением.
Таблицы MOSFET определяют заряд затвора и емкость затвора. Емкости обычно находятся в диапазоне «несколько нанофарад», а заряд затвора обычно составляет несколько десятков наноуломб, а входная емкость обычно составляет наноФард или несколько.
Используя параметрический селектор Digikeys, я просто поднастроил N-канальные МОП-транзисторы с напряжением 60-100 В и 10-20 А.
Заряд затвора составлял всего 3,4 нКл, а входная емкость = 256 пФ и
до 225 нК с входной емкостью 5700 пФ,
нижний средний квартиль = 18 нК, 870 пФ и
верхним средним квартилем = 46 нК и 1200 пФ
Этот заряд должен быть "накачан" в и из емкости затвора.
Если вы работаете с широтно-импульсной модуляцией, скажем, 10 кГц, то 1 цикл = 100 мкс, так что вы надеетесь, что время переключения составляло небольшую часть этого. Если вы хотите зарядить или разрядить несколько нФ до нуля и обычно от 3 В до 12 В, тогда необходимо иметь как минимум 100 мА привода.
1 кулон = 1 ампер / с, поэтому для 10 нК требуется значение 1 A для 0,01 мкСм или значение 0,1A для 0,1 мкСм. Ужасный выброс MOSFET выше с зарядом затвора 225 нК потребует 0,225 мкс для зарядки при 1A и 2,25 мкс при 0,1A. Причина, по которой этот полевой транзистор намного хуже, чем у большинства, заключается в том, что я «особенный - это устройство с режимом истощения 100 В 16 А , которое обычно включено без напряжения на затворе и требует отрицательного напряжения на затворе для его выключения. Однако все же можно» например, 60 В, 20 А с зарядом затвора 100+ нК.
Эта более обычная деталь 60 В 14 А имеет максимальный заряд затвора 18 нК. Управляйте этим от булавки порта микроконтроллера в 10 мА, и это займет! 1,8 мкс для зарядки конденсатора затвора - вероятно, допустимо при 10 кГц и очень плохо при 100 кГц. С временем переключения подъема и спада 110 и 41 нс при «правильном управлении» вы бы предпочли, чтобы время зарядки затвора превышало ~ 2 мкс, чтобы переключать его где-нибудь вблизи его верхних пределов.
Пример:
200 НС драйвер верхнего уровня ворот:
Источник этой схемы не определен - я думаю, через участника PICList. Можно проверить, если кто-нибудь заботится. Обратите внимание, что эта схема значительно «умнее», чем может показаться. (Олин любит входное расположение, используемое здесь). Размах ~ = 3 В на R14 вызывает размах около 15 В на R15, поэтому базы Q14 / Q15 размахиваются от + 30 В до + 15 В, обеспечивая ~ 15 В, если затвор с высокой стороны движется к МОП-транзистору с каналом Р.
источник
Проверьте таблицу. Для этого MOSFET они определяют ток утечки затвора до источника максимум 100 нА. Например, если вы управляете полевым транзистором от операционного усилителя, вы можете игнорировать это. Если вы используете какое-то статическое напряжение с очень низким зарядом, 100 нА может быть слишком много. Все зависит от вашего приложения, но в большинстве случаев этот статический ток будет незначительным. Включение и выключение приведет к гораздо большему пику тока для зарядки и разрядки емкости затвора.
источник
Гипотетическая ситуация: скажем, вы хотели реализовать контрольно-измерительные приборы / измерения напряжений, генерируемых очень маленькими зарядами. (Заряды, которые могут быть истощены даже небольшим током через очень высокий импеданс.)
источник
Вот некоторые формы сигналов, которые указывают на некоторые переходные свойства большого MOSFET. Ток затвора становится высоким во время переключения и может вызвать падение напряжения на затворе. (черная линия)
.
источник
Я думаю, что это обобщение происходит от сравнения MOSFET с BJT с точки зрения идеализированного приложения усиления.
«BJT - это устройство, управляемое током (ток коллектора, управляющий током базы, базовое напряжение, зафиксированное на прямом падении PN), в то время как MOSFET - это устройство с трансдуктивностью (ток базы незначителен, ток коллектора контролирует базовое напряжение)», как говорит учитель ,
Когда вы говорите об «установившихся» усилителях (без жесткого переключения или больших скачков смещения), предположение о «нулевом базовом токе» остается достаточно верным, чтобы позволить вам выполнять значимую работу.
Когда вы вводите высокочастотное жесткое переключение, как уже отмечали другие, в поведении преобладают собственные емкости MOSFET (т. Е. Потребляемый базовый ток является функцией зарядки и разрядки емкости затвора), поэтому предположение «нулевой ток» становится недействительным.
источник