Comprendre le processus d'activation du MOSFET

Un processus d'allumage MOSFET correctement calculé garantit que l'appareil est allumé avec une efficacité optimale.

Lors de la conception de circuits basés sur MOSFET, vous vous êtes peut-être demandé quelle était la bonne façon d'activer un MOSFET? Ou simplement quelle est la tension minimale à appliquer sur la porte / source de l'appareil pour l'allumer parfaitement?

Bien que pour de nombreux systèmes numériques, cela puisse ne pas être un problème, les systèmes 5V tels que les DSP, les FPGA et les Arduinos nécessitent booster leurs rendements pour des conditions de commutation optimales pour le MOSFET connecté.

Et dans ces situations, le concepteur commence à examiner les spécifications du MOSFET pour obtenir les données de tension de seuil. Le concepteur suppose que le MOSFET s'allumerait et changerait d'état lorsque ce niveau de seuil serait franchi.

Cependant, cela peut ne pas être aussi simple que cela puisse paraître.

Quelle est la tension de seuil V_{GS (th)}

Tout d'abord, il faut se rendre compte que la tension de seuil, notée V_{GS (th)}Les concepteurs de circuits ne doivent pas s’inquiéter.

Pour être précis, c'est la tension de grille qui fait passer le courant de drain du MOSFET à un niveau de seuil de 250 μA, et ceci est testé dans des conditions qui pourraient ne jamais transpirer normalement dans des applications pratiques.

Lors de certaines analyses, une constante de 5 V est utilisée pour le test mentionné ci-dessus de l'appareil. Mais ce test est normalement mis en œuvre avec la grille et le drain de l'appareil connectés ou court-circuités entre eux. Vous pouvez facilement obtenir ces informations dans la fiche technique elle-même, il n'y a donc rien de mystérieux dans ce test.

Le tableau ci-dessus indique les niveaux de seuil et les conditions de test pertinentes pour un exemple de MOSFET.

Pour une application souhaitée, le concepteur peut s'inquiéter d'une situation redoutée connue sous le nom de tension de grille `` induite '', qui peut être un problème sérieux, par exemple dans un MOSFET côté bas de convertisseur abaisseur synchrone .

Comme évoqué précédemment, ici aussi il faut comprendre que franchir le seuil V_{GS (th)}le niveau peut ne pas forcer l'appareil à fonctionner dans une condition de panne de tir. Ce niveau indique en fait au concepteur le seuil auquel le MOSFET commence juste à s'allumer et ce n'est pas une situation où les choses se terminent tout simplement.

Il peut être souhaitable que pendant que le MOSFET est à l'état OFF, la tension de grille soit maintenue en dessous de V_{GS (th)}niveau, pour éviter les fuites de courant. Mais en l'activant, ce paramètre peut être simplement ignoré.

Courbe caractéristique de transfert

Vous trouverez un autre diagramme de courbes nommé caractéristiques de transfert dans les fiches techniques MOSFET expliquant son comportement d'activation en réponse à l'augmentation de la tension de grille.

Pour être précis, cela peut être davantage lié à l'analyse de variation de courant par rapport à la tension de grille et à la température du boîtier du dispositif. Dans cette analyse, le V_DSest maintenu à un niveau fixe mais élevé, autour de 15V, ce qui peut ne pas être révélé dans les spécifications de la fiche technique.

Si nous nous référons à la courbe ci-dessus, nous nous rendons compte que pour un courant de drain de 20 A, une tension grille à source de 3,2 V peut ne pas être adéquate.

La combinaison se traduirait par un VDS de 10 V généralement avec une dissipation de 200 watts.

Les données de courbe de transfert peuvent être utiles pour les MOSFET fonctionnant dans la plage linéaire, mais les données de courbe peuvent avoir moins d'importance pour les MOSFET dans les applications de commutation.

Caractéristiques de sortie

La courbe qui révèle les données réelles concernant la condition entièrement ON d'un MOSFET est connue sous le nom de courbe de sortie comme indiqué ci-dessous:

Ici, pour les différents niveaux de V_GSla chute vers l'avant du MOSFET est mesurée en fonction du courant. Les ingénieurs de l'appareil utilisent ces données de courbe pour confirmer le niveau optimal de tension de grille.

Pour chaque niveau de tension de grille qui assure une mise sous tension complète du MOSFET [R_{DS (activé)}], nous obtenons une plage de chutes de tension (V_GS) à travers drain-source ayant une réponse strictement linéaire avec le courant de drain. La plage commence à partir de zéro et vers le haut.

Pour des tensions de grille inférieures (V_GS), lorsque le courant de drain est augmenté, nous trouvons la courbe perdant la réponse linéaire, se déplaçant à travers le «genou» puis allant à plat.

Les détails de la courbe ci-dessus nous fournissent les caractéristiques de sortie complètes pour une gamme de tensions de grille de 2,5 V à 3,6 V.

Les utilisateurs du MOSFET peuvent normalement envisager cela comme une fonction linéaire. Cependant, en revanche, les ingénieurs d'appareils peuvent préférer accorder plus d'attention à la région grise du graphique qui suggère la région de saturation du courant pour la tension de grille appliquée.

Il révèle les données actuelles qui ont touché le point de saturation ou la limite de saturation. À ce stade, si le V_DSest augmenté entraînera une augmentation marginale du courant, mais une petite augmentation du courant de drain peut conduire à un V beaucoup plus grand_DS.

Pour des niveaux de tension de grille accrus, qui permettent au MOSFET de s'allumer complètement, la zone ombrée verte nous montrera le point de fonctionnement du processus, indiqué comme région résistive (ou ohmique).

Veuillez noter que les courbes ici montrent uniquement les valeurs typiques et n'incluent pas de limites minimales ou maximales.

Tout en fonctionnant à des températures ambiantes plus basses, le dispositif nécessitera une tension de grille plus élevée pour rester dans la région résistive, qui peut augmenter à un taux de 0,3% / ° C.

Qu'est-ce que MOSFET RDS (ON)

Lorsque les ingénieurs de l'appareil doivent rencontrer les caractéristiques de sortie du MOSFET, ils voudront essentiellement en savoir plus sur le R_{DS (activé)}de l'appareil par rapport aux conditions de fonctionnement spécifiques.

Généralement, cela peut être un mélange de V_GSet moi_DSà travers la zone où la courbe a dévié de la ligne droite dans la partie indiquée par la nuance grise.

Considérant l'exemple discuté ci-dessus, une tension de grille de 3,1 V avec un courant initial de 10 ampères, les ingénieurs sauront que le R_{DS (activé)}aura tendance à être supérieure à la valeur estimée. Cela dit, attendons-nous du fabricant du MOSFET qu'il fournisse des données approximatives à ce sujet?

Avec les deux quantités V_DSet moi_DSfacilement accessible dans la courbe, il peut devenir trop attrayant, et est souvent abandonné, pour diviser les deux quantités au R résultant_{DS (activé)}.

Cependant, malheureusement, nous n'avons pas de R_{DS (activé)}pour l'évaluation ici. Il ne semble pas disponible pour les situations mentionnées car pour toute section de la ligne de charge représenter une résistance doit traverser l'origine de manière linéaire.

Cela dit, il peut être possible de simuler la ligne de charge sous une forme agrégée comme une résistance non linéaire.

Au minimum, cela garantira que toute compréhension du travail pratique est maintenue à l'origine (0, 0).

Caractéristiques de la courbe de charge de la porte

Ce sont les données de la courbe de charge de la porte qui nous donnent un véritable indice concernant les spécifications d'activation du MOSFET, comme indiqué dans la figure ci-dessous. :

Bien que la courbe ci-dessus soit une inclusion standard dans toutes les fiches techniques MOSFET, les indications sous-jacentes sont rarement comprises par l'utilisateur MOSFET.

De plus, les progrès modernes dans les dispositions MOSFET, telles que les tranchées et les portes blindées, nécessitent un adressage révisé des données.

Par exemple, la spécification nommée «gate-charge» peut sembler légèrement trompeuse en elle-même.

Les sections linéaires et divisées de la courbe n'apparaissent pas comme une tension de charge d'un condensateur, quelle que soit la valeur non linéaire qu'il peut présenter.

Pour être précis, la courbe de charge de grille signifie une donnée associée de deux condensateurs non parallèles, ayant des amplitudes dissemblables et portant des niveaux de tension différents.

En théorie, la capacité fonctionnelle comme en témoigne la borne de porte MOSFET est définie avec l'équation:

C_Iss= C_gs+ C_gd

où C_Iss= capacité de grille, C_gs= capacité de la source de grille, C_gd= capacité de drain de grille

Bien qu'il puisse paraître assez simple de mesurer cette unité et de la préciser dans les fiches techniques, il faut noter que le terme C_Issn'est en fait pas une vraie capacité.

Il peut être complètement faux de penser qu'un MOSFET est activé simplement par une tension appliquée sur la capacité de grille C_Iss».

Comme indiqué dans la figure ci-dessus, juste avant qu'un MOFET ne passe à ON, la capacité de grille n'a pas de charge, mais la capacité au drain-grille C_gdpossède une charge négative qui doit être éliminée.

Ces deux capacités ont une nature non linéaire et leurs valeurs varient largement lorsque les tensions appliquées varient.

Par conséquent, il est important de noter que ce sont les charges stockées du MOSFET qui déterminent ses caractéristiques de commutation, et non la valeur de capacité pour un niveau de tension spécifique.

Puisque les deux éléments de capacité constituant C_Issont des attributs physiques différents, ils ont tendance à se charger avec des niveaux de tension différents, ce qui oblige le processus de mise en marche du MOSFET à passer également par deux étapes.

La séquence précise peut être différente pour les applications résistives et inductives, mais généralement la plupart des charges pratiques étant hautement inductives, le processus peut être simulé comme illustré dans la figure suivante:

Séquence de synchronisation de charge de porte

Les séquences de synchronisation de charge de grille du MOSFET peuvent être étudiées à partir du diagramme ci-dessous:

Il peut être compris avec l'explication suivante:

1. T0 - T1: C_gscharges de zéro à V_{GS (th)}... V_DSou Je_DSne subit aucun changement.
2. T1-T2, le courant commence à augmenter dans le MOSFET en réponse à l'augmentation de la tension de grille de V_{GS (th)}jusqu'à la tension de plateau V_gp.
3. Ici, l'IDS augmente et atteint le courant de pleine charge à partir de 0 V, bien que V_DSreste inchangé et constant. La charge associée est formée par l'intégrale de C_gsde 0 V à V_gpet Q_gsdonnées dans les fiches techniques.
4. T2 - T3: Observer la région plate entre T2 et T3, ça s'appelle le plateau de Miller.
5. Avant la mise en marche, C_gdcharge et tient jusqu'à la tension d'alimentation V_DANS, jusqu'à ce que je_DSatteint la valeur de crête I (charge) à T2.
6. Le temps entre la période T2 et T3, la charge négative (V_DANS- V_gp) est converti en charge positive par rapport à la tension de plateau V_gp.
7. Cela peut également être visualisé comme la chute de la tension de drain de V_DANSà environ presque zéro.
8. La charge impliquée est égale à environ le C_gdintégrale de 0 à V_dans, qui est affiché comme Q_gddans les fiches techniques.
9. Pendant T3 - T4, la tension de grille monte de V_gpà V_GS, et ici nous ne trouvons pratiquement aucun changement pour V_DSet moi_DS, mais le R efficace_{DS (activé)}baisse légèrement lorsque la tension de grille augmente. À un certain niveau de tension supérieur à V_gp, fournit au fabricant suffisamment de confiance pour fixer la limite supérieure du R effectif_{DS (activé)}.

Pour les charges inductives

La montée du courant dans le canal MOSFET due à une charge inductive doit être terminée avant que la tension ne commence à baisser.

Au début du plateau, le MOSFET est à l'état OFF, en présence d'un courant et d'une tension élevés entre le drain et la source.

Entre le temps T2 et T3, une charge Q_gdest appliquée à la grille du MOSFET, dans lequel la caractéristique du MOSFET passe du mode courant constant au mode à résistance constante à la fin.

Lorsque la transition ci-dessus se produit, aucun changement notable de la tension de grille V_gpse déroule.

C'est la raison pour laquelle il n'est jamais judicieux de relier un processus d'activation du MOSFET à un niveau particulier de tension de grille.

La même chose peut être vraie pour le processus de désactivation, qui exige que les deux mêmes charges (discutées précédemment) soient éliminées de la porte du MOSFET dans l'ordre opposé.

Vitesse de commutation MOSFET

Alors que Q_gsplus Q_gdensemble garantit que le MOSFET s'allumera complètement, il ne nous dit pas à quelle vitesse cela se produira.

La vitesse de commutation du courant ou de la tension est déterminée par la vitesse à laquelle les éléments de charge à la porte sont appliqués ou supprimés. Ceci est également appelé courant de commande de grille.

Bien qu'une vitesse de montée et de descente rapide garantisse des pertes de commutation plus faibles dans les MOSFET, celles-ci peuvent également entraîner des complications au niveau du système liées à des tensions de crête accrues, des oscillations et des interférences électromagnétiques, en particulier pendant les instants d'arrêt de la charge inductive.

La tension en baisse linéaire représentée sur la figure 7 ci-dessus parvient à prendre une valeur constante de Cgd, ce qui peut difficilement arriver aux MOSFET dans les applications pratiques.

Pour être précis, la charge grille-drain C_gdpour un MOSFET à super jonction haute tension tel que SiHF35N60E présente une réponse linéaire significativement élevée, comme on peut le voir sur la figure suivante:

La plage de variation qui existe dans la valeur de C_rss(transfert inverse) est supérieur à 200: 1 dans les 100 V initiaux. De ce fait, le temps de chute réel de la tension par rapport à la courbe de charge de la grille ressemble plus à la ligne en pointillés représentée en rouge sur la figure 7.

À des tensions plus élevées, les temps de montée et de descente des charges, ainsi que leurs valeurs équivalentes en dV / dt dépendent davantage de la valeur de C_rss, au lieu de l'intégrale de la courbe entière indiquée par Q_gd.

Lorsque les utilisateurs veulent comparer les spécifications MOSFET dans différents environnements de conception, ils doivent réaliser que MOSFET avec la moitié du Q_gdvalue ne comportera pas nécessairement un taux de commutation deux fois plus rapide, ou 50% de pertes de commutation en moins.

C'est parce que, selon le C_gdcourbe et son amplitude à des tensions plus élevées, il peut être tout à fait possible pour un MOSFET d'avoir un faible Qgd dans la fiche technique, mais sans aucune augmentation de la vitesse de commutation.

Résumer

Dans la mise en œuvre réelle, la mise sous tension d'un MOSFET se produit via une série de processus, et non avec un paramètre prédéterminé.

Les concepteurs de circuits doivent cesser d'imaginer que V_{GS (th)}, ou des niveaux de tension peuvent être utilisés comme tension de grille pour commuter la sortie MOSFET de haut en bas R_{DS (activé)}.

Il peut être vain de penser à avoir un R_{DS (activé)}au-dessous ou au-dessus d'un niveau de tension de grille spécifique, car le niveau de tension de grille ne décide pas intrinsèquement de la mise sous tension d'un MOSFET. Ce sont plutôt les frais Q_gset Q_gdintroduits dans le MOSFET qui exécutent le travail.

Vous pouvez trouver que la tension de grille dépasse V_{GS (th)}et V_gppendant le processus de charge / décharge, mais ceux-ci ne sont pas si importants.

De même, la vitesse à laquelle le MOSFET d'aujourd'hui peut s'allumer ou s'éteindre peut être une fonction complexe de Q_gsou Q_gd.

Pour évaluer les vitesses de commutation des MOSFET, en particulier les MOSFET avancés, le concepteur doit passer par une étude approfondie concernant la courbe de charge de grille et la caractéristique de capacité de l'appareil.

Référence: https://www.vishay.com/