MOSFET: Kiedy nie możemy założyć, że prąd bramki wynosi 0?
15
Powszechną ogólną zasadą, którą słyszysz podczas nauki elektrotechniki, jest to, że prąd wejściowy MOSFET wynosi zawsze około 0. Kiedy nie jest bezpiecznie zakładać, że wynosi 0?
Bramka FET może mieć rezystor podwyższający / zmniejszający, ponieważ z założenia pobiera więcej niż prąd upływowy bramki.
tyblu
Odpowiedzi:
21
W warunkach przejściowych prąd bramki będzie niezerowy, ponieważ trzeba naładować (lub rozładować) pojemność bramki, a to wymaga prądu. Im większy prąd bramki, tym szybciej zmienia się napięcie bramki i tym szybciej urządzenie się przełącza. Po zakończeniu przejścia przełączającego prąd bramki zbliża się do zera (i jest to głównie prąd upływu).
W przypadku niskich częstotliwości przełączania (PWM) prąd bramki RMS będzie niski. Wyższe częstotliwości przełączania zwiększą wartość skuteczną prądu.
Wszystkie aspekty tej odpowiedzi nadają bardzo silne poczucie deja vu :-)
Russell McMahon
„Wyższe częstotliwości przełączania zwiększą średnią bezwzględnej wartości prądu ”. Średni prąd jest niezależny od częstotliwości.
Telaclavo,
1
Wszystkie aspekty tej odpowiedzi nadają bardzo silne poczucie deja vu :-) :-)
Russell McMahon
@Telaclavo - Średni prąd będzie niezależny od częstotliwości w dowolnym wystarczającym okresie czasu, ponieważ jest (idealnie) zero. Każda niezerowa wartość będzie oznaczać, że opłaty są gromadzone w sposób ciągły, a bramka nie może przechowywać nieskończonej ilości ładunków. Jednak wartość bezwzględna nie jest. Wyższe częstotliwości oznaczają, że te same ładunki są przenoszone do iz bramki z wyższą szybkością, tj. Wyższym prądem absolutnym.
Marcks Thomas
@Telaclavo - dobry połów; Zmieniłem średnią na rms ...
madrivereric
14
Najważniejszym wyjątkiem jest zwykle nie wyciek statyczny, ale podczas ładowania lub rozładowywania pojemności bramki w celu jej włączenia lub wyłączenia.
Prądy bramkowe o wartości około 0,1 do 1 am są zwykle wymagane do ładowania i rozładowywania pojemności bramki w użytecznie szybkich czasach.
Zbyt szybki prowadzi do dodatkowych strat.
Zbyt wolny prowadzi do tego, że tranzystor polowy znajduje się w aktywnym stanie rezystancyjnym między wyłączeniem a mocnym włączeniem i rozprasza bardzo znaczne ilości energii w stosunku do tego, co można osiągnąć przy odpowiednim projektowaniu.
Właśnie dlatego wymagane są sterowniki bramek i dlatego nie można po prostu sterować bramką MOSFET przy wysokich częstotliwościach ze styku mikrokontrolera, który zwykle jest w stanie dostarczyć 1 do 30 mA, nawet gdy wymagania dotyczące napięcia są dobrze spełnione.
_______________________________-
Powiązane - Prądy napędowe bramki MOSFET:
Często nie docenia się tego, że MOSFET przełączany przy 10 kHz plus może potrzebować prądów sterujących bramkami w zakresie 0,1A - 1A, aby osiągnąć odpowiednie czasy przełączania - w zależności od aplikacji. Przy wielu 10-ciach częstotliwości bramkowy napęd na wyższym końcu zakresu byłby powszechny.
Arkusze danych MOSFET określają ładunek i pojemność bramki. Pojemności są zwykle w zakresie „kilku nanoFarad”, a ładunek bramkowy wynosi zwykle kilkadziesiąt nanokulombów, a pojemność wejściowa jest zwykle nanoFard lub kilka.
Za pomocą selektora parametrycznego Digikeys właśnie podetknąłem MOSFETY kanału N o wartości 60-100 V Vds i 10-20 Amp.
Ładunek bramki był tak niski jak 3,4 nC, a pojemność wejściowa = 256 pF i
tak wysoka jak 225 nC przy pojemności wejściowej 5700 pF
z dolnym medianem kwartylu = 18 nC i 870 pF i
górnym medianem kwartylu = 46 nC i 1200 pF
Ładunek ten należy „wpompować” do i z pojemności bramki.
Jeśli używasz PWM na powiedzmy 10 kHz, to 1 cykl = 100 μS, więc masz nadzieję, że czasy przełączania były niewielką częścią tego. Jeśli chcesz naładować lub rozładować kilka nF do / od zera do typowo 3 V do 12 V, to konieczne jest posiadanie co najmniej 100 mA mA napędu.
1 kulomb = 1 amp. Sekunda, więc 10 nC wymaga 1 A średniej dla 0,01 uS lub 0,1 A średniej dla 0,1 uS. Przerażający odstający MOSFET powyżej z ładunkiem bramki 225 nC wymagałby ładowania 0,225 uS przy 1A i 2,25 uS przy 0,1A. Powodem, dla którego ten FET jest o wiele gorszy niż większość, jest to, że jestem „osobny - to urządzenie z trybem wyczerpywania 100 V 16 A, które zwykle jest włączone bez napięcia bramki i wymaga ujemnego napięcia bramki, aby je wyłączyć. Jednak nadal można„ złapany ”np. przez tę część 60 V, 20 A z ładunkiem bramkowym 100+ nC.
Ta bardziej normalna część 60 V 14A ma maksymalne ładowanie bramki 18 nC. Przeprowadź go ze styku portu mikrokontrolera o wartości 10 mA i zajmie to! 1,8 uS do ładowania kondensatora bramkowego - prawdopodobnie akceptowalny przy 10 kHz i bardzo zły przy 100 kHz. Przy czasach przełączania narastania i opadania 110 i 41 nS przy „prawidłowym prowadzeniu” wolałbyś raczej niż ~ 2 uS czasy ładowania bramki, aby przełączać ją gdziekolwiek w pobliżu jej górnych granic.
Przykład:
Wysokonapędowy sterownik bramy 200 nS:
Źródło tego obwodu nie jest pewne - myślę, że przez członka PICList. Może sprawdzić, czy ktoś się tym przejmuje. Zauważ, że ten obwód jest znacznie bardziej „sprytny”, niż może się wydawać. (Olin lubi układ wejściowy używany tutaj). Huśtanie ~ = 3 V w poprzek R14 powoduje około 15 V wahanie wokół R15, więc podstawy Q14 / Q15 wahają się od + 30 V do około + 15 V, zapewniając ~ 15 V, jeśli górna bramka boczna przejechała do MOSFET kanału P.
Jakiego typu MOSFET opisujesz? (Re: „... zwykle wymagany ...”.)
tyblu
@tyblu - Prawie każdy rodzaj MOSFET-u przełącza więcej niż prądy trywialne. Powiedz kilkaset mA na górze. Spójrz na arkusze danych dotyczące ładowania i pojemności bramki. Ładunek ten należy „wpompować” do i z pojemności bramki. Jeśli używasz PWM na powiedzmy 10 kHz, to 1 cykl = 100 μS, więc masz nadzieję, że czasy przełączania były niewielką częścią tego. Jeśli chcesz naładować lub rozładować kilka NF do / od zera do typowo 3 V do 12 V, to konieczne jest posiadanie co najmniej 100 mA mA napędu.
Russell McMahon,
Ach, moc FET. Jestem używany do <500mA Ids, gdzie wejście jest <1nF. Należy pamiętać, że w arkuszu danych podano, że pojemności bramek są zawsze na określonej częstotliwości (np. 1 MHz).
tyblu
11
Sprawdź arkusz danych. Dla tego MOSFET-u określają prąd upływu do źródła o wartości maksymalnie 100nA. Jeśli na przykład kierujesz FET z opampa, prawdopodobnie możesz to zignorować. Jeśli używasz jakiegoś napięcia statycznego o bardzo niskim ładunku, 100nA może być za dużo. Wszystko zależy od zastosowania, ale w większości przypadków ten prąd statyczny będzie nieznaczny. Włączanie i wyłączanie spowoduje ładowanie znacznie większego prądu szczytowego i rozładowanie pojemności bramki.
Sytuacja hipotetyczna: powiedz, że chcesz wdrożyć oprzyrządowanie / wykrywanie napięć generowanych przez bardzo małe ładunki. (Ładunki, które mogą być odprowadzane nawet przez niewielki prąd o bardzo wysokiej impedancji).
Oto kilka przebiegów, które wskazują niektóre przejściowe natury dużego MOSFET-a. Prąd bramki staje się wysoki podczas przełączania i mógł spowodować tutaj spadek napięcia napędu bramki. (czarna linia)
.
Prąd bramki jest jedną z rzeczy, których nie pokazano na tym wykresie, prawda? A co to jest ? VGG
Telaclavo,
1
Wykres jest ładny, ale potrzebuje jeszcze trochę adnotacji ...
tyblu
0
Myślę, że to uogólnienie wynika z porównania MOSFET-a z BJT pod względem idealnego zastosowania wzmocnienia.
„BJT jest urządzeniem kontrolowanym prądem (prąd kolektora regulujący prąd bazowy, napięcie bazowe zaciśnięte do opadającego PN do przodu), podczas gdy MOSFET jest urządzeniem nadprzewodnikowym (prąd bazowy jest znikomy, napięcie bazowe kontroluje prąd kolektora)”, jak mówi nauczyciel .
Kiedy mówimy o wzmacniaczach „w stanie ustalonym” (brak twardego przełączania lub dużych wahań w odchylaniu), założenie „zerowego prądu bazowego” jest wystarczająco prawdziwe, aby umożliwić ci znaczącą pracę.
Kiedy wprowadzasz twarde przełączanie wysokiej częstotliwości, jak zauważyli inni, nieodłączne pojemności MOSFET-u dominują w zachowaniu (tj. Pobierany prąd podstawowy jest funkcją ładowania i rozładowywania pojemności bramki), więc założenie „zerowego prądu” zostaje unieważnione.
Odpowiedzi:
W warunkach przejściowych prąd bramki będzie niezerowy, ponieważ trzeba naładować (lub rozładować) pojemność bramki, a to wymaga prądu. Im większy prąd bramki, tym szybciej zmienia się napięcie bramki i tym szybciej urządzenie się przełącza. Po zakończeniu przejścia przełączającego prąd bramki zbliża się do zera (i jest to głównie prąd upływu).
W przypadku niskich częstotliwości przełączania (PWM) prąd bramki RMS będzie niski. Wyższe częstotliwości przełączania zwiększą wartość skuteczną prądu.
źródło
Najważniejszym wyjątkiem jest zwykle nie wyciek statyczny, ale podczas ładowania lub rozładowywania pojemności bramki w celu jej włączenia lub wyłączenia.
Prądy bramkowe o wartości około 0,1 do 1 am są zwykle wymagane do ładowania i rozładowywania pojemności bramki w użytecznie szybkich czasach.
Zbyt szybki prowadzi do dodatkowych strat.
Zbyt wolny prowadzi do tego, że tranzystor polowy znajduje się w aktywnym stanie rezystancyjnym między wyłączeniem a mocnym włączeniem i rozprasza bardzo znaczne ilości energii w stosunku do tego, co można osiągnąć przy odpowiednim projektowaniu.
Właśnie dlatego wymagane są sterowniki bramek i dlatego nie można po prostu sterować bramką MOSFET przy wysokich częstotliwościach ze styku mikrokontrolera, który zwykle jest w stanie dostarczyć 1 do 30 mA, nawet gdy wymagania dotyczące napięcia są dobrze spełnione.
_______________________________-
Powiązane - Prądy napędowe bramki MOSFET:
Często nie docenia się tego, że MOSFET przełączany przy 10 kHz plus może potrzebować prądów sterujących bramkami w zakresie 0,1A - 1A, aby osiągnąć odpowiednie czasy przełączania - w zależności od aplikacji. Przy wielu 10-ciach częstotliwości bramkowy napęd na wyższym końcu zakresu byłby powszechny.
Arkusze danych MOSFET określają ładunek i pojemność bramki. Pojemności są zwykle w zakresie „kilku nanoFarad”, a ładunek bramkowy wynosi zwykle kilkadziesiąt nanokulombów, a pojemność wejściowa jest zwykle nanoFard lub kilka.
Za pomocą selektora parametrycznego Digikeys właśnie podetknąłem MOSFETY kanału N o wartości 60-100 V Vds i 10-20 Amp.
Ładunek bramki był tak niski jak 3,4 nC, a pojemność wejściowa = 256 pF i
tak wysoka jak 225 nC przy pojemności wejściowej 5700 pF
z dolnym medianem kwartylu = 18 nC i 870 pF i
górnym medianem kwartylu = 46 nC i 1200 pF
Ładunek ten należy „wpompować” do i z pojemności bramki.
Jeśli używasz PWM na powiedzmy 10 kHz, to 1 cykl = 100 μS, więc masz nadzieję, że czasy przełączania były niewielką częścią tego. Jeśli chcesz naładować lub rozładować kilka nF do / od zera do typowo 3 V do 12 V, to konieczne jest posiadanie co najmniej 100 mA mA napędu.
1 kulomb = 1 amp. Sekunda, więc 10 nC wymaga 1 A średniej dla 0,01 uS lub 0,1 A średniej dla 0,1 uS. Przerażający odstający MOSFET powyżej z ładunkiem bramki 225 nC wymagałby ładowania 0,225 uS przy 1A i 2,25 uS przy 0,1A. Powodem, dla którego ten FET jest o wiele gorszy niż większość, jest to, że jestem „osobny - to urządzenie z trybem wyczerpywania 100 V 16 A, które zwykle jest włączone bez napięcia bramki i wymaga ujemnego napięcia bramki, aby je wyłączyć. Jednak nadal można„ złapany ”np. przez tę część 60 V, 20 A z ładunkiem bramkowym 100+ nC.
Ta bardziej normalna część 60 V 14A ma maksymalne ładowanie bramki 18 nC. Przeprowadź go ze styku portu mikrokontrolera o wartości 10 mA i zajmie to! 1,8 uS do ładowania kondensatora bramkowego - prawdopodobnie akceptowalny przy 10 kHz i bardzo zły przy 100 kHz. Przy czasach przełączania narastania i opadania 110 i 41 nS przy „prawidłowym prowadzeniu” wolałbyś raczej niż ~ 2 uS czasy ładowania bramki, aby przełączać ją gdziekolwiek w pobliżu jej górnych granic.
Przykład:
Wysokonapędowy sterownik bramy 200 nS:
Źródło tego obwodu nie jest pewne - myślę, że przez członka PICList. Może sprawdzić, czy ktoś się tym przejmuje. Zauważ, że ten obwód jest znacznie bardziej „sprytny”, niż może się wydawać. (Olin lubi układ wejściowy używany tutaj). Huśtanie ~ = 3 V w poprzek R14 powoduje około 15 V wahanie wokół R15, więc podstawy Q14 / Q15 wahają się od + 30 V do około + 15 V, zapewniając ~ 15 V, jeśli górna bramka boczna przejechała do MOSFET kanału P.
źródło
Sprawdź arkusz danych. Dla tego MOSFET-u określają prąd upływu do źródła o wartości maksymalnie 100nA. Jeśli na przykład kierujesz FET z opampa, prawdopodobnie możesz to zignorować. Jeśli używasz jakiegoś napięcia statycznego o bardzo niskim ładunku, 100nA może być za dużo. Wszystko zależy od zastosowania, ale w większości przypadków ten prąd statyczny będzie nieznaczny. Włączanie i wyłączanie spowoduje ładowanie znacznie większego prądu szczytowego i rozładowanie pojemności bramki.
źródło
Sytuacja hipotetyczna: powiedz, że chcesz wdrożyć oprzyrządowanie / wykrywanie napięć generowanych przez bardzo małe ładunki. (Ładunki, które mogą być odprowadzane nawet przez niewielki prąd o bardzo wysokiej impedancji).
źródło
Oto kilka przebiegów, które wskazują niektóre przejściowe natury dużego MOSFET-a. Prąd bramki staje się wysoki podczas przełączania i mógł spowodować tutaj spadek napięcia napędu bramki. (czarna linia)
.
źródło
Myślę, że to uogólnienie wynika z porównania MOSFET-a z BJT pod względem idealnego zastosowania wzmocnienia.
„BJT jest urządzeniem kontrolowanym prądem (prąd kolektora regulujący prąd bazowy, napięcie bazowe zaciśnięte do opadającego PN do przodu), podczas gdy MOSFET jest urządzeniem nadprzewodnikowym (prąd bazowy jest znikomy, napięcie bazowe kontroluje prąd kolektora)”, jak mówi nauczyciel .
Kiedy mówimy o wzmacniaczach „w stanie ustalonym” (brak twardego przełączania lub dużych wahań w odchylaniu), założenie „zerowego prądu bazowego” jest wystarczająco prawdziwe, aby umożliwić ci znaczącą pracę.
Kiedy wprowadzasz twarde przełączanie wysokiej częstotliwości, jak zauważyli inni, nieodłączne pojemności MOSFET-u dominują w zachowaniu (tj. Pobierany prąd podstawowy jest funkcją ładowania i rozładowywania pojemności bramki), więc założenie „zerowego prądu” zostaje unieważnione.
źródło