Den richtigen Transistor wählen: Dynamische MOSFET-Parameter verstehen

Week 0 (Dezember 2018).

Anonim

Den richtigen Transistor wählen: Dynamische MOSFET-Parameter verstehen


In diesem Artikel werden die MOSFET-Eigenschaften im Zusammenhang mit transienten Bedingungen und dem Schaltmodus behandelt.

Im vorangegangenen Artikel über niederfrequente MOSFETs haben wir Parameter wie Schwellenspannung, Durchlasswiderstand und maximalen Drain-Strom betrachtet, die den stationären Betrieb eines MOSFETs bestimmen. Diese Eigenschaften sind für alle Anwendungen relevant. Wenn Sie ein Niederfrequenzsystem entwerfen, decken sie die meisten Informationen ab, die Sie für die Auswahl eines geeigneten Geräts benötigen.

Heutzutage ist es jedoch üblich, MOSFETs als Schalter zu verwenden, die selbst in analogen Anwendungen durch relativ hochfrequente (und oft pulsbreitenmodulierte) digitale Signale gesteuert werden. Ein perfektes Beispiel ist der Class-D-Verstärker.

Trotz der Tatsache, dass das Eingangssignal analog ist und das Ausgangssignal analog ist, wird die Verstärkung unter Verwendung von Transistoren erreicht, die von vollständig auf vollständig ausgeschaltet sind. Die Switch-Mode-Steuerung ist wesentlich effizienter als die lineare Steuerung, und dies macht sie zu einer attraktiven Option, selbst wenn die resultierende Schaltung komplexer ist und das resultierende Signal durch Schaltrauschen negativ beeinflusst wird.

Vorübergehende Höchstwerte

Im vorherigen Artikel haben wir den maximalen kontinuierlichen Drain-Strom diskutiert. Dieser Parameter hat eine entsprechende Spezifikation für transiente Ereignisse.

Der maximale transiente Drain-Strom wird als "gepulster Drain-Strom" oder "Spitzen-Drain-Strom" bezeichnet. Hier sind einige Variablen beteiligt (Impulsbreite, Arbeitszyklus, Umgebungstemperatur), daher ist diese Spezifikation nicht sehr nützlich. Es gibt Ihnen jedoch eine allgemeine Vorstellung davon, wie viel Kurzschlussstrom das Gerät aushalten kann, und in einigen Fällen ist dies wichtiger als die stationäre Grenze (ich denke an Anwendungen, bei denen die Hochstrombedingungen gelten beziehen sich auf Shoot-Through-, Inrush- oder Low-Duty-Cycle-PWM.

Ein weiterer Parameter zur Vermeidung von Schäden im Zusammenhang mit transienten Ereignissen ist die Drain-Source-Lawinenenergie. Die Spezifikation ist in Joule-Einheiten angegeben, bezieht sich jedoch auf Spannungen, die die Drain-Source-Durchbruchspannung des MOSFET überschreiten. Dieses Problem ist ein wenig kompliziert und sicherlich über den Rahmen dieses kurzen Artikels hinaus. Wenn Sie mehr über Lawineneigenschaften erfahren möchten, empfehle ich Ihnen diese App-Notiz von Infineon.

Diagramm aus der oben genannten Infineon App Note .

Kapazitäten

Unter den dynamischen Parametern eines FETs sind die Eingangskapazität, die Ausgangskapazität und die Rückwärtsübertragungskapazität besonders hervorzuheben. Diese stehen in engem Zusammenhang mit den typischen (und besser intuitiv genannten) MOSFET-Kapazitäten, die als Gate-Drain-Kapazität (C GD ), Gate-Source-Kapazität (C GS ) und Drain-Source-Kapazität (C DS ) bezeichnet werden.

  • Die Eingangskapazität (C ISS ) ist die Kapazität, die von einem Eingangssignal gesehen wird, dh C GD plus C GS .
  • Ausgangskapazität (C OSS ) ist die Kapazität, die von einem Ausgangssignal gesehen wird; im Zusammenhang mit diskreten FETs ist der Ausgangsanschluss der Drain, also C OSS = C GD + C DS .
  • Die Rückübertragungskapazität (C RSS ) ist die Kapazität zwischen dem Drain und dem Gate, dh C RSS = C GD .

Die Eingangskapazität (in Verbindung mit dem Widerstand der Treiberschaltung) beeinflusst die Schaltcharakteristik, da mehr Eingangskapazität mehr Ein- und Ausschaltverzögerung bedeutet. Sie müssen diese Kapazität aufladen, wenn Sie den FET in den leitenden Zustand bringen, und Sie müssen ihn entladen, wenn Sie das Gerät ausschalten wollen.

Die Ausgangskapazität spielt eine Rolle, wenn wir die Verlustleistung und die Resonanzfrequenz eines Schaltkreises betrachten.

Die Rückwärtsübertragungskapazität beeinflusst die Ein- und Ausschaltzeit (nicht überraschend, da sie Teil der Eingangskapazität ist), aber beachte, dass sie eine Rückkopplungsschleife bildet (weil der Drain als Ausgang betrachtet wird und das Gate als Eingang betrachtet wird). Ein Kondensator im Rückkopplungspfad unterliegt dem Miller-Effekt, und folglich ist das Ausmaß, in dem C RSS das Einschwingverhalten beeinflusst, größer, als wir aufgrund des Nennkapazitätswerts erwarten würden.

Gate Ladung

Es stellt sich heraus, dass die MOSFET-Eingangskapazität nicht der zuverlässigste Weg ist, um die Schalteigenschaften eines Bauelements zu bewerten, da die Kapazitätswerte durch Spannungs- und Strombedingungen beeinflusst werden. Die folgende Grafik gibt Ihnen eine Vorstellung davon, wie sich die drei Kapazitätswerte als Reaktion auf Änderungen der Drain-Source-Spannung ändern.

Plot aus dieser App Notiz von NXP / Nexperia.

Dieser App-Hinweis erwähnt auch "Gerätegröße und Transkonduktanz" als Faktoren, die es schwierig machen, die Kapazität als Basis für die Auswahl eines MOSFETs gegenüber einem anderen zu verwenden. Es ist besser, Gate-Lade-Spezifikationen zu verwenden; beispielsweise:

Spezifikationen aus diesem Vishay-Datenblatt .

Die Gate-Ladung ist offensichtlich eine einfachere Möglichkeit, Schalteigenschaften zu beurteilen. Die Ladung entspricht dem Strom multipliziert mit der Zeit. Wenn Sie also den Ausgangsstrom des Geräts kennen, das das Gate steuert, und Sie die Gate-Ladespezifikation des FET kennen, können Sie den Zeitaufwand für das Einschalten des Geräts berechnen.

Umschaltzeiten

Wenn Sie wirklich alle Berechnungen und theoretischen Details vermeiden möchten, können Sie Ihre Teilsuche einfach auf FETs beschränken, die Schaltzeiten im Datenblatt haben. Suchen Sie nach Spezifikationen mit der Bezeichnung "Einschaltzeit" (oder "Abschaltzeit"), "Anstiegszeit" (oder "Abfallzeit") und "Verzögerungszeit".

Dieser Ansatz ist sicherlich einfach, aber wie es oft der Fall ist, ist die einfachste Lösung nicht die robusteste Lösung. Diese "vorgekochten" Schaltspezifikationen basieren auf spezifischen Bedingungen (von denen der wichtigste vielleicht der Widerstand der Gate-Ansteuerschaltung ist), die möglicherweise nicht mit Ihren erwarteten Bedingungen oder mit den in einem anderen Datenblatt verwendeten Bedingungen übereinstimmen. Die oben erwähnte Notiz zur NXP / Nexperia-App besagt, dass beim Vergleich der Angaben zur Schaltzeit eines Herstellers mit denen eines anderen Herstellers "äußerste Sorgfalt erforderlich ist".

Fazit

Das dynamische Verhalten von MOSFETs ist nicht besonders einfach, aber ich hoffe, dass dieser Artikel genügend Informationen bereitgestellt hat, um Ihnen zu helfen, das dynamische Verhalten verschiedener Geräte genauer zu bewerten. Wenn Sie Erfahrung mit dem transienten Verhalten einzelner diskreter FETs haben, können Sie Ihre Gedanken in einem Kommentar teilen.