Determina la velocità di commutazione MOSFET

Come posso determinare la velocità di commutazione di un MOSFET, con dato Qg (carica di gate), Vgs (tensione di giunzione GS) e resistenza di gate? Come devo determinare il valore richiesto del resistore di gate?

Dal punto di vista del circuito di pilotaggio, il gate sembra un condensatore alla sorgente. In realtà ha anche una certa capacità di drenaggio, ma questo è stato preso in considerazione nella figura della carica totale del gate. Conosci la tensione che il gate deve cambiare e la carica che deve essere trasferita per farlo. Da lì è semplice calcolare la capacità equivalente: Farads = Couloumbs / Volt. Una volta che hai la capacità, la costante di tempo R * C ti dà un'idea di quanto velocemente il gate si muoverà dato un input di passo sull'altro lato del resistore di gate. Per raggiungere il 90% della tensione finale del gate, ad esempio, occorrono 2,3 costanti di tempo.

Quando il FET in realtà "cambia" è più complicato. Il FET non passerà improvvisamente da completamente spento a pieno a una particolare tensione di gate, ma esiste una tensione di gate alla quale una piccola variazione incrementale farà la differenza nella caratteristica dell'uscita FET. Devi decidere quanto significa veramente "on" e "full off", quindi decidere quale intervallo di tensione del gate rappresenta. Quindi è possibile utilizzare il modello RC equivalente per decidere la velocità con cui un input di passo lo farà scorrere in questa regione. Ad esempio, se si decide che la maggior parte della commutazione avviene tra il 20% e l'80% della tensione di gate, si tratterebbe di 1,4 costanti di tempo.

La maggior parte dell'azione di commutazione si verifica quando i plateau della tensione di gate alla tensione di soglia Vgsth, a quel punto la tensione di drain scende rapidamente e il cosiddetto effetto Miller mantiene la soglia lì fino a quando il drain raggiunge il suo minimo:

(da https://web.archive.org/web/20120324165247/http://www.ti.com/lit/ml/slup097/slup097.pdf )

Solo per un esempio pratico, supponiamo che tu abbia un IRL540N che stai guidando con una sorgente 5V con resistenza serie 100 ohm.

La soglia del gate è compresa tra 1 e 2 V. Ciò significa che la corrente di carica del gate sarà di 30-40 mA. La carica totale del gate è specificata a <74nC, quindi stai parlando di un tempo di commutazione massimo di t = Qmax / Imin = 74nC / 30mA = 2.47usec.

Perché non si dovrebbe usare un resistore di gate con resistenza zero?

Diverse ragioni:

• l'induttanza parassita della sorgente nel MOSFET può causare oscillazioni ad alta frequenza o almeno un turnon altamente sottodimensionato

• In genere si desidera ottimizzare il tempo di accensione in modo appropriato per motivi di EMI.

• E in un gate drive a mezzo ponte, di solito si utilizza un diodo in parallelo con la resistenza di accensione in modo che lo spegnimento sia rapido ma l'accensione sia lenta. Altrimenti puoi ottenere lo sho-through, per motivi che esulano dallo scopo di questo post. (Se ho tempo, scriverò un post di blog a riguardo e posterò un link ad esso.)