Una regola empirica comune che senti quando apprendi l'Elettrotecnica è che la corrente di gate di un MOSFET è sempre approssimativamente 0. Quando non è sicuro supporre che sia 0?
Risposte:
In condizioni transitorie, la corrente di gate sarà diversa da zero poiché è necessario caricare (o scaricare) la capacità del gate e ciò richiede corrente. Maggiore è la corrente di gate, più veloce cambia la tensione di gate e più velocemente il dispositivo commuta. Una volta completata la transizione dell'interruttore, la corrente di gate si avvicina a zero (ed è principalmente la corrente di dispersione).
Per basse frequenze di commutazione (PWM), la corrente di gate rms sarà bassa. Frequenze di commutazione più elevate aumentano la corrente efficace.
L'eccezione più importante di solito non è la perdita statica ma quando si carica o scarica la capacità del gate per accenderla o spegnerla.
In genere sono richieste correnti di gate da circa 0,1 a 1 amp per caricare e scaricare la capacità del gate in tempi utilmente veloci.
Troppo veloce porta a perdite extra.
Troppo lento porta a FET essere in uno stato resistivo attivo tra off e hard on e dissipare quantità di energia molto sostanziali rispetto a ciò che può essere ottenuto con una progettazione adeguata.
Questo è il motivo per cui sono richiesti i gate driver e perché non è possibile pilotare un gate MOSFET ad alte frequenze da un pin del microcontrollore in genere in grado di fornire da 1 a 30 mA, anche quando i requisiti di tensione sono soddisfatti.
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Spesso non si apprezza che un MOSFET commutato a 10 kHz in più potrebbe aver bisogno di correnti di pilotaggio del gate nell'intervallo 0,1 A - 1 A per ottenere tempi di commutazione adeguati, a seconda dell'applicazione. A molti decimi di gate drive kHz all'estremità superiore dell'intervallo sarebbe comune.
I fogli dati MOSFET specificano la carica e la capacità del gate. Le capacità sono in genere nella gamma "pochi nanoFarad" e la carica di gate è in genere di alcune decine di nanocoulbs e la capacità di input è in genere una nanoFard o poche.
Usando il selettore parametrico Digikeys ho appena impostato un sottoinsieme di MOSFET a canale N di 60-100 V Vds e 10-20 Amp Ids.
La carica di gate era di soli 3,4 nC e capacità di input = 256 pF e
fino a 225 nC con capacità di input 5700 pF
con quartile mediano inferiore = 18 nC e 870 pF e
quartile mediano superiore = 46 nC e 1200 pF
Quella carica deve essere "pompata" dentro e fuori dalla capacità del gate.
Se stai PWMing ad esempio 10 kHz, allora 1 ciclo = 100 uS quindi speri che i tempi di commutazione siano una piccola frazione di quello. Se si desidera caricare o scaricare alcuni nF a / da zero a 3 V a 12 V in genere, è necessario disporre di almeno 100 mA di drive.
1 Coulomb = 1 amp. Secondo quindi 10 nC richiede 1 A media per 0,01 uS o 0,1A media per 0,1 uS. L'orrendo MOSFET anomalo sopra con una carica di gate di 225 nC richiederebbe 0,225 uS per caricarsi a 1A e 2,25 uS a 0,1A. Il motivo per cui questo FET è molto peggio della maggior parte è che sono "settico - è un dispositivo in modalità di svuotamento di 100 V 16 A che di solito è acceso senza tensione di gate e richiede una tensione di gate negativa per spegnerlo. Tuttavia, si può ancora essere" catturato "ad esempio da questa parte da 60 V, 20 A con carica di gate di oltre 100 nC.
Questa parte più normale da 60 V 14 A ha una carica massima di 18 nC. Guidalo da un pin della porta del microcontrollore a 10 mA e ci vorrà! 1,8 uS per caricare il condensatore di gate - probabilmente accettabile a 10 kHz e pessimo a 100 kHz. Con tempi di commutazione di salita e discesa di 110 e 41 nS quando "pilotati correttamente", si preferirebbero tempi di carica del gate superiori a ~ 2 uS per spostarli ovunque vicino ai limiti superiori.
Esempio:
Driver gate high side 200 nS:
La fonte di questo circuito non è certa - penso che tramite il membro PICList. Può controllare se qualcuno se ne frega. Notare che questo circuito è considerevolmente più "intelligente" di quanto possa apparire. (Olin è appassionato della disposizione degli input usata qui). L'oscillazione ~ = 3V su R14 provoca un'oscillazione di circa 15V su R15, quindi le basi Q14 / Q15 oscillano da + 30V a circa + 15V, fornendo ~ 15V se il gate laterale alto si dirige verso il MOSFET a canale P.
Controlla la scheda tecnica. Per questo MOSFET specificano una corrente di dispersione da gate a source di massimo 100nA. Se stai guidando il FET da un opamp, ad esempio, probabilmente puoi ignorarlo. Se stai usando una tensione statica con una carica molto bassa, 100nA potrebbe essere troppo. Tutto dipende dalla tua applicazione, ma nella maggior parte dei casi questa corrente statica sarà trascurabile. L'accensione e lo spegnimento causano la carica di un picco di corrente molto più grande e lo scarico della capacità del gate.
Ecco alcune forme d'onda che indicano alcune delle nature transitorie di un grande MOSFET. La corrente di gate aumenta durante la commutazione e può aver causato un calo della tensione del gate drive qui. (linea nera)
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Penso che questa generalizzazione derivi dal confronto tra un MOSFET e un BJT in termini di un'applicazione idealizzata di amplificazione.
"Un BJT è un dispositivo controllato in corrente (corrente di base che controlla la corrente del collettore, tensione di base bloccata su una caduta in avanti PN) mentre un MOSFET è un dispositivo di transconduttanza (la corrente di base è trascurabile, la tensione di base controlla la corrente del collettore)", come dice l'insegnante .
Quando si parla di amplificatori a "stato stazionario" (nessuna commutazione rigida o forti oscillazioni nella polarizzazione) l'assunzione di "corrente di base zero" è abbastanza vera da consentire di svolgere un lavoro significativo.
Quando si introduce la commutazione hard ad alta frequenza, come altri hanno sottolineato, le capacità intrinseche del MOSFET dominano il comportamento (ovvero la corrente di base assorbita è una funzione di carica e scarica della capacità di gate), quindi l'assunto della "corrente zero" viene invalidato.