MOSFET: Kapan kita tidak bisa berasumsi bahwa arus gerbang adalah 0?
14
Aturan umum yang Anda dengar ketika mempelajari Teknik Elektro adalah bahwa saat ini gerbang MOSFET selalu sekitar 0. Kapan tidak aman untuk mengasumsikan bahwa itu adalah 0?
Gerbang FET mungkin memiliki resistor pull-up / down, dengan desain menggambar lebih dari arus kebocoran gerbang.
tyblu
Jawaban:
21
Dalam kondisi sementara, arus gerbang tidak nol karena Anda perlu mengisi (atau melepaskan) kapasitansi gerbang dan ini membutuhkan arus. Semakin besar arus gerbang, semakin cepat tegangan gerbang berubah dan semakin cepat perangkat berganti. Setelah transisi switch selesai, maka gerbang saat ini mendekati nol (dan sebagian besar arus bocor).
Untuk frekuensi switching rendah (PWM), arus gerbang rms akan rendah. Frekuensi switching yang lebih tinggi akan meningkatkan arus rms.
Semua aspek dari jawaban ini memberikan rasa deja vu yang sangat kuat :-)
Russell McMahon
"Frekuensi switching yang lebih tinggi akan meningkatkan rata-rata nilai absolut dari arus ". Arus rata-rata tidak tergantung pada frekuensi.
Telaclavo
1
Semua aspek dari jawaban ini memberikan rasa deja vu yang sangat kuat :-) :-)
Russell McMahon
@ Telaclavo - Arus rata-rata akan independen dari frekuensi pada periode waktu yang cukup, karena itu (idealnya) nol. Nilai non-nol akan berarti biaya dibangun secara terus menerus dan gerbang tidak dapat menyimpan persediaan biaya tanpa akhir. Nilai absolutnya adalah tidak. Frekuensi yang lebih tinggi menyiratkan bahwa muatan yang sama dipindahkan ke dan dari gerbang dengan laju yang lebih tinggi, yaitu arus absolut yang lebih tinggi.
Marcks Thomas
@Telaclavo - tangkapan yang bagus; Saya mengubah rata-rata ke rms ...
madrivereric
14
Pengecualian yang paling penting biasanya bukan kebocoran statis tetapi saat pengisian atau pemakaian kapasitansi gerbang untuk menyalakan atau mematikannya.
Gerbang arus sekitar 0,1 hingga 1 amp biasanya diperlukan untuk mengisi dan melepaskan kapasitansi gerbang dalam waktu cepat berguna.
Terlalu cepat menyebabkan kerugian ekstra.
Terlalu lambat menyebabkan FET berada dalam keadaan resistif aktif antara mati dan keras dan membuang energi yang sangat besar relatif terhadap apa yang dapat dicapai dengan desain yang tepat.
Inilah sebabnya mengapa driver gerbang diperlukan dan mengapa Anda tidak bisa hanya mendorong gerbang MOSFET pada frekuensi tinggi dari pin mikrokontroler yang biasanya dapat menghasilkan 1 hingga 30 mA, bahkan ketika persyaratan tegangan terpenuhi dengan baik.
_______________________________-
Terkait - MOSFET gate drive saat ini:
Sering tidak dihargai bahwa MOSFET yang diaktifkan pada 10 kHz plus mungkin memerlukan arus gate drive pada kisaran 0,1A - 1A untuk mencapai waktu switching yang memadai - agak tergantung pada aplikasi. Pada 10-an dari gerbang drive kHz di ujung yang lebih tinggi dari kisaran akan menjadi umum.
Lembar data MOSFET menentukan biaya gerbang dan kapasitansi gerbang. Kapasitansi biasanya dalam kisaran "beberapa nanoFarad" dan biaya gerbang biasanya beberapa puluh nanocoulomb dan kapasitansi input biasanya nanoFard atau sedikit.
Menggunakan pemilih parametrik Digikeys, saya baru saja mengeset NOS MOSFET Saluran 60-100 V Vds dan 10-20 Amp Id.
Gerbang muatan serendah 3,4 nC dan kapasitansi input = 256 pF dan
setinggi 225 nC dengan 5700 pF input kapasitansi
dengan kuartil median bawah = 18 nC dan 870 pF dan
kuartil median atas = 46 nC dan 1200 pF
Muatan itu harus "dipompa" ke dalam dan ke luar gerbang kapasitansi.
Jika Anda PWMing mengatakan 10 kHz maka 1 cycle = 100 uss jadi Anda berharap bahwa waktu switching adalah sebagian kecil dari itu. Jika Anda ingin mengisi atau melepaskan beberapa nF ke / dari nol ke biasanya 3V ke 12V maka memiliki setidaknya 100's mA drive adalah suatu keharusan.
1 Coulomb = 1 amp.kedua sehingga 10 nC membutuhkan rata-rata 1 A untuk 0,01 aS atau rata-rata 0,1 A untuk 0,1 aS. MOSFET outlier yang mengerikan di atas dengan biaya gerbang 225 nC akan membutuhkan 0,225 uS untuk diisi pada 1A dan 2,25 uS pada 0,1A. Alasan bahwa FET ini jauh lebih buruk daripada kebanyakan adalah bahwa saya "sepcial - ini adalah perangkat mode penipisan 100V 16A yang biasanya menyala tanpa tegangan gerbang dan memerlukan tegangan gerbang negatif untuk mematikannya. Namun, masih bisa" tertangkap "oleh misalnya bagian 60V, 20A ini dengan muatan gerbang 100+ nC.
Bagian 60V 14A yang lebih normal ini memiliki muatan gerbang maks 18 nC. Mengendarainya dari pin port mikrokontroler pada 10 mA dan itu akan mengambil! 1,8 uS untuk mengisi kapasitor gerbang - mungkin dapat diterima pada 10 kHz dan sangat buruk pada 100 kHz. Dengan naik turunnya waktu switching 110 dan 41 nS ketika 'didorong dengan benar' Anda ingin lebih baik daripada ~ 2 uS gerbang kali mengisi daya untuk mengubahnya di mana saja di dekat batas atas.
Contoh:
Pengemudi gerbang sisi tinggi 200 nS:
Sumber sirkuit ini tidak pasti - saya pikir melalui anggota PICList. Dapat memeriksa apakah ada yang peduli. Perhatikan bahwa sirkuit ini jauh lebih "pintar" daripada yang mungkin terlihat. (Olin menyukai pengaturan input yang digunakan di sini). Ayunan ~ = 3V melintasi R14 menyebabkan ayunan sekitar 15V tentang R15 sehingga basis Q14 / Q15 berayun dari + 30V menjadi sekitar + 15V, memberikan ~ 15V jika gerbang sisi tinggi melaju ke P Channel MOSFET.
Jenis MOSFET apa yang Anda gambarkan? (Re: "... biasanya diperlukan ...".)
tyblu
@tyblu - Hampir semua jenis daya MOSFET beralih lebih dari arus sepele. Ucapkan beberapa ratus mA ke atas. Lihatlah lembar data untuk biaya gerbang dan kapasitansi gerbang. Muatan itu harus "dipompa" ke dalam dan ke luar gerbang kapasitansi. Jika Anda menggunakan PWMing katakanlah 10 kHz maka 1 cycle = 100 uS jadi Anda akan berharap bahwa waktu switching adalah sebagian kecil dari itu. Jika Anda ingin mengisi atau mengeluarkan beberapa NF ke / dari nol ke 3V ke 12V biasanya memiliki setidaknya 100's mA drive adalah suatu keharusan.
Russell McMahon
Ah, kekuatan FET. Digunakan untuk <500mA Id, di mana input <1nF. Perhatikan bahwa datasheet menyatakan kapasitansi gerbang selalu pada frekuensi tertentu (mis. 1MHz).
tyblu
10
Periksa lembar data. Untuk MOSFET ini mereka menentukan gerbang ke sumber kebocoran arus maksimum 100nA. Jika Anda mengendarai FET dari opamp, misalnya, Anda mungkin dapat mengabaikannya. Jika Anda menggunakan tegangan statis dengan muatan yang sangat rendah, 100nA mungkin terlalu banyak. Itu semua tergantung pada aplikasi Anda, tetapi dalam kebanyakan kasus, arus statis ini dapat diabaikan. Menyalakan dan mematikan akan menyebabkan puncak arus yang jauh lebih besar untuk mengisi dan melepaskan kapasitansi gerbang.
Situasi hipotetis: misalkan Anda ingin menerapkan instrumentasi / penginderaan voltase yang dihasilkan oleh muatan yang sangat kecil. (Biaya yang dapat dikuras bahkan oleh arus kecil melalui impedansi yang sangat tinggi.)
Berikut adalah beberapa bentuk gelombang yang menunjukkan beberapa sifat sementara dari MOSFET besar. Arus gerbang menjadi tinggi selama switching dan mungkin menyebabkan penurunan tegangan drive gerbang di sini. (garis hitam)
.
Gerbang saat ini adalah salah satu hal yang tidak ditampilkan dalam grafik itu, bukan? Dan apaVG G?
Telaclavo
1
Grafiknya
0
Saya pikir generalisasi ini berasal dari membandingkan MOSFET dengan BJT dalam hal aplikasi amplifikasi ideal.
"Sebuah BJT adalah perangkat yang dikendalikan arus (arus pengontrol arus basis, tegangan basis dijepit ke drop maju PN) sedangkan MOSFET adalah perangkat transkonduktansi (arus basis dapat diabaikan, tegangan dasar mengontrol arus kolektor)", seperti kata guru .
Ketika Anda berbicara tentang amplifier "steady-state" (tidak ada pergantian keras atau perubahan besar dalam biasing) asumsi 'arus basis nol' cukup benar untuk memungkinkan Anda melakukan pekerjaan yang berarti.
Ketika Anda memperkenalkan hard switching frekuensi tinggi, seperti yang lain telah menunjukkan kapasitansi yang melekat dari MOSFET mendominasi perilaku (yaitu arus basis yang ditarik adalah fungsi pengisian dan pemakaian kapasitansi gerbang) sehingga asumsi 'nol saat ini' tidak valid.
Jawaban:
Dalam kondisi sementara, arus gerbang tidak nol karena Anda perlu mengisi (atau melepaskan) kapasitansi gerbang dan ini membutuhkan arus. Semakin besar arus gerbang, semakin cepat tegangan gerbang berubah dan semakin cepat perangkat berganti. Setelah transisi switch selesai, maka gerbang saat ini mendekati nol (dan sebagian besar arus bocor).
Untuk frekuensi switching rendah (PWM), arus gerbang rms akan rendah. Frekuensi switching yang lebih tinggi akan meningkatkan arus rms.
sumber
Pengecualian yang paling penting biasanya bukan kebocoran statis tetapi saat pengisian atau pemakaian kapasitansi gerbang untuk menyalakan atau mematikannya.
Gerbang arus sekitar 0,1 hingga 1 amp biasanya diperlukan untuk mengisi dan melepaskan kapasitansi gerbang dalam waktu cepat berguna.
Terlalu cepat menyebabkan kerugian ekstra.
Terlalu lambat menyebabkan FET berada dalam keadaan resistif aktif antara mati dan keras dan membuang energi yang sangat besar relatif terhadap apa yang dapat dicapai dengan desain yang tepat.
Inilah sebabnya mengapa driver gerbang diperlukan dan mengapa Anda tidak bisa hanya mendorong gerbang MOSFET pada frekuensi tinggi dari pin mikrokontroler yang biasanya dapat menghasilkan 1 hingga 30 mA, bahkan ketika persyaratan tegangan terpenuhi dengan baik.
_______________________________-
Terkait - MOSFET gate drive saat ini:
Sering tidak dihargai bahwa MOSFET yang diaktifkan pada 10 kHz plus mungkin memerlukan arus gate drive pada kisaran 0,1A - 1A untuk mencapai waktu switching yang memadai - agak tergantung pada aplikasi. Pada 10-an dari gerbang drive kHz di ujung yang lebih tinggi dari kisaran akan menjadi umum.
Lembar data MOSFET menentukan biaya gerbang dan kapasitansi gerbang. Kapasitansi biasanya dalam kisaran "beberapa nanoFarad" dan biaya gerbang biasanya beberapa puluh nanocoulomb dan kapasitansi input biasanya nanoFard atau sedikit.
Menggunakan pemilih parametrik Digikeys, saya baru saja mengeset NOS MOSFET Saluran 60-100 V Vds dan 10-20 Amp Id.
Gerbang muatan serendah 3,4 nC dan kapasitansi input = 256 pF dan
setinggi 225 nC dengan 5700 pF input kapasitansi
dengan kuartil median bawah = 18 nC dan 870 pF dan
kuartil median atas = 46 nC dan 1200 pF
Muatan itu harus "dipompa" ke dalam dan ke luar gerbang kapasitansi.
Jika Anda PWMing mengatakan 10 kHz maka 1 cycle = 100 uss jadi Anda berharap bahwa waktu switching adalah sebagian kecil dari itu. Jika Anda ingin mengisi atau melepaskan beberapa nF ke / dari nol ke biasanya 3V ke 12V maka memiliki setidaknya 100's mA drive adalah suatu keharusan.
1 Coulomb = 1 amp.kedua sehingga 10 nC membutuhkan rata-rata 1 A untuk 0,01 aS atau rata-rata 0,1 A untuk 0,1 aS. MOSFET outlier yang mengerikan di atas dengan biaya gerbang 225 nC akan membutuhkan 0,225 uS untuk diisi pada 1A dan 2,25 uS pada 0,1A. Alasan bahwa FET ini jauh lebih buruk daripada kebanyakan adalah bahwa saya "sepcial - ini adalah perangkat mode penipisan 100V 16A yang biasanya menyala tanpa tegangan gerbang dan memerlukan tegangan gerbang negatif untuk mematikannya. Namun, masih bisa" tertangkap "oleh misalnya bagian 60V, 20A ini dengan muatan gerbang 100+ nC.
Bagian 60V 14A yang lebih normal ini memiliki muatan gerbang maks 18 nC. Mengendarainya dari pin port mikrokontroler pada 10 mA dan itu akan mengambil! 1,8 uS untuk mengisi kapasitor gerbang - mungkin dapat diterima pada 10 kHz dan sangat buruk pada 100 kHz. Dengan naik turunnya waktu switching 110 dan 41 nS ketika 'didorong dengan benar' Anda ingin lebih baik daripada ~ 2 uS gerbang kali mengisi daya untuk mengubahnya di mana saja di dekat batas atas.
Contoh:
Pengemudi gerbang sisi tinggi 200 nS:
Sumber sirkuit ini tidak pasti - saya pikir melalui anggota PICList. Dapat memeriksa apakah ada yang peduli. Perhatikan bahwa sirkuit ini jauh lebih "pintar" daripada yang mungkin terlihat. (Olin menyukai pengaturan input yang digunakan di sini). Ayunan ~ = 3V melintasi R14 menyebabkan ayunan sekitar 15V tentang R15 sehingga basis Q14 / Q15 berayun dari + 30V menjadi sekitar + 15V, memberikan ~ 15V jika gerbang sisi tinggi melaju ke P Channel MOSFET.
sumber
Periksa lembar data. Untuk MOSFET ini mereka menentukan gerbang ke sumber kebocoran arus maksimum 100nA. Jika Anda mengendarai FET dari opamp, misalnya, Anda mungkin dapat mengabaikannya. Jika Anda menggunakan tegangan statis dengan muatan yang sangat rendah, 100nA mungkin terlalu banyak. Itu semua tergantung pada aplikasi Anda, tetapi dalam kebanyakan kasus, arus statis ini dapat diabaikan. Menyalakan dan mematikan akan menyebabkan puncak arus yang jauh lebih besar untuk mengisi dan melepaskan kapasitansi gerbang.
sumber
Situasi hipotetis: misalkan Anda ingin menerapkan instrumentasi / penginderaan voltase yang dihasilkan oleh muatan yang sangat kecil. (Biaya yang dapat dikuras bahkan oleh arus kecil melalui impedansi yang sangat tinggi.)
sumber
Berikut adalah beberapa bentuk gelombang yang menunjukkan beberapa sifat sementara dari MOSFET besar. Arus gerbang menjadi tinggi selama switching dan mungkin menyebabkan penurunan tegangan drive gerbang di sini. (garis hitam)
.
sumber
Saya pikir generalisasi ini berasal dari membandingkan MOSFET dengan BJT dalam hal aplikasi amplifikasi ideal.
"Sebuah BJT adalah perangkat yang dikendalikan arus (arus pengontrol arus basis, tegangan basis dijepit ke drop maju PN) sedangkan MOSFET adalah perangkat transkonduktansi (arus basis dapat diabaikan, tegangan dasar mengontrol arus kolektor)", seperti kata guru .
Ketika Anda berbicara tentang amplifier "steady-state" (tidak ada pergantian keras atau perubahan besar dalam biasing) asumsi 'arus basis nol' cukup benar untuk memungkinkan Anda melakukan pekerjaan yang berarti.
Ketika Anda memperkenalkan hard switching frekuensi tinggi, seperti yang lain telah menunjukkan kapasitansi yang melekat dari MOSFET mendominasi perilaku (yaitu arus basis yang ditarik adalah fungsi pengisian dan pemakaian kapasitansi gerbang) sehingga asumsi 'nol saat ini' tidak valid.
sumber