Come ridurre il ritardo di spegnimento del MOSFET

Il titolo dice tutto nelle applicazioni di commutazione del segnale: oltre a scegliere un dispositivo diverso, come posso ridurre il ritardo di spegnimento dei MOSFET (canale N)? C'è qualcosa di simile al morsetto Baker usato per i BJT?

Un gate e un driver MOSFET hanno un aspetto simile al seguente:

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

$C_G$ è principalmente la capacità di gate del MOSFET stesso. Il conducente può aggiungere una sua capacità, ma di solito è trascurabile.

$L_G$ e provengono principalmente dal circuito del gate driver. Anche i cavi del MOSFET contribuiscono, ma in misura minore.$R_G$

$R_G$ viene inoltre espressamente aggiunto in alcuni circuiti di pilotaggio per smorzare la risonanza di e . Senza questo smorzamento, lo squillo può comportare che la tensione al gate di M1 porti escursioni transitorie ben oltre la tensione fornita da , a volte superando il massimo specificato dal MOSFET e danneggiando il gate.$L_G$$C_G$$V_{GS}$

Per i tempi di commutazione più rapidi possibili, si desidera che tutti questi siano il meno possibile.

Ridurre a è piuttosto semplice. Non aggiungere più resistenza del necessario e non rendere le tracce del PCB eccessivamente sottili. Volete anche che il driver sia il più vicino possibile al MOSFET e volete che sia qualcosa in grado di affondare e reperire corrente elevata. Il modo più semplice per farlo potrebbe essere quello di aggiungere una coppia push-pull BJT di follower emettitori:$R_G$

^{simula questo circuito}

Per un esempio più complesso, vedi guida lato basso di un ponte mosfet con 3.3V . Naturalmente, ci sono anche soluzioni integrate.

Se è più importante avere uno spegnimento rapido rispetto rapida (comune nelle applicazioni H-bridge), allora D1 può essere aggiunto per bypassare principalmente durante lo spegnimento, pur mantenendo gran parte della capacità di smorzamento.$R_G$

Per ridurre al minimo , tenere presente non solo la lunghezza della traccia del gate, ma anche il percorso di ritorno dalla sorgente al driver del gate. Ricordare che la corrente di carica del gate deve fluire attraverso il gate e la sorgente e tornare al driver. L'induttanza di questo circuito è proporzionale all'area che circonda e, alle alte frequenze, questa induttanza limiterà la velocità di commutazione molto più della resistenza . La pratica di layout comune consiste nell'avere un solido piano di massa sotto il MOSFET e il driver, con la traccia del cancello il più corta possibile su questo. Laddove è necessario collegare i livelli con i via, includerne diversi, se possibile, per ridurre al minimo la loro induttanza effettiva.$L_G$$R_G$

Ricordare inoltre che e includono l'impedenza dell'alimentazione. Accertarsi che il gate driver sia adeguatamente alimentato con condensatori di disaccoppiamento dell'alimentazione. Utilizzare diversi, in parallelo, per massimizzare la capacità e minimizzare l'induttanza.$L_G$$R_G$

$C_G$ non può essere ridotto direttamente, tranne selezionando un MOSFET diverso. MOSFET più costosi possono offrire una capacità di gate inferiore per un inferiore o la massima capacità di gestione della corrente. Inoltre, non utilizzare un MOSFET con una capacità di gestione più corrente del necessario; lo pagherai con una capacità di gate maggiore.$R_{DS(on)}$

La maggior parte dei progetti di driver di gate può anche trarre vantaggio dal condurre il gate a una tensione negativa . Applicando una tensione più elevata a e , la corrente diventerà più grande, più veloce, portando a un più elevato e quindi a uno spegnimento più rapido. Ricorda anche che maggiore è il tuo livello di , più veloce puoi cambiare, ma anche il suono peggiore sarà.$L_G$$R_G$$\frac{di}{dt}$$\frac{di}{dt}$

Inoltre, tieni presente che se riesci a ottenere uno spegnimento molto veloce, potresti imbatterti nel limite tuo MOSFET . All'aumentare della tensione della sorgente di drain, la capacità del gate di drain e del corpo di drain deve essere caricata, e questo significa che il driver del gate deve assorbire quella corrente di carica. In caso contrario, la tensione del gate potrebbe aumentare a sufficienza per riaccendere il MOSFET e, a seconda del circuito, potrebbe accadere qualcosa di brutto. Di solito questo significa sparare attraverso i ponti H.$\frac{dv}{dt}$

da International Rectifier - Power MOSFET Basics

Questo è un altro motivo per includere D1 se hai aggiunto intenzionalmente .$R_G$

Il concetto di un morsetto per fornaio può essere applicato anche a un MOSFET, semplicemente non portando il cancello a una tensione più alta del necessario. Tuttavia, a differenza BJT, MOSFET sperimentano una diminuzione come aumenta, per cui v'è un certo valore nel sollevare sopra la soglia di accensione.$R_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

un esempio, per 2N7000

Dovrai calcolare i tuoi limiti termici per vedere se puoi ottenere qualcosa qui, ma direi che è abbastanza basso da non dover guidare il gate molto in alto, otterrai prestazioni migliori di selezionando un MOSFET diverso con capacità di gate complessiva inferiore e più alto . Questo perché la maggior parte della carica che devi spostare, e quindi il tempo che devi aspettare per accendere o spegnere, viene speso quando la tensione del gate attraversa la tensione di soglia :$R_{DS}$$R_{DS(on)}$$V_{th}$

2N7000 di nuovo. La sezione piatta nel mezzo è in .$V_{th}$

L'aumento della tensione di gate sopra richiede relativamente poca carica, ma è possibile ottenere riduzioni sostanziali di .$V_{th}$$R_{DS}$

Non cercare di competere con la risposta di Phil, perché è davvero buono. Ma un paio di cose a cui pensare.

Non menzioni il tipo di parte che stai utilizzando, ma se hai davvero bisogno di ridurre il ritardo di spegnimento potresti dover usare una parte per montaggio superficiale. Una parte in un TO-220, ad esempio, avrà incorporato nel pacchetto 7nH di induttanza e fino a 10 Ohm di resistenza di gate di cui non puoi fare nulla. Mentre una parte a montaggio superficiale avrebbe un'induttanza più simile a 3nH e resistenza di gate a 3 Ohm, che potrebbe essere commutata molto più velocemente.

Per quanto riguarda l'estrazione più rapida della carica dal gate, si potrebbe considerare l'aggiunta di un transistor pull down pnp al gate del FET. Qualcosa come questo:

$\beta$

Se desideri linee guida quantitative per trovare la resistenza minima del gate da utilizzare, puoi consultare questo post.

Esistono diverse cose che puoi fare per accelerare lo spegnimento di un MOSFET.

1) Utilizzare un driver di gate a impedenza inferiore in grado di scaricare più rapidamente la capacità del gate.

2) Se si dispone di una resistenza in serie dal gate driver al gate, provare ad abbassare un po 'il valore di questa resistenza.

3) Se è presente una resistenza in serie con il gate dal driver, provare a posizionare un condensatore su questa resistenza in serie. Ciò può accelerare lo spegnimento FET a condizione che il driver abbia un'impedenza sufficientemente bassa e la costante di tempo R / C della coppia resistore / condensatore consenta di scaricare il condensatore prima della transizione da on a off.

4) Provare a differenziare il gate driver per il FET in modo che il gate oscilli leggermente al di sotto della tensione di sorgente durante e dopo la transizione off del gate. Se la fonte è su GND, prova a portare il gate qualche centinaio di millivolt sotto GND.

A parte ciò che dice Michael Karas, non ha senso applicare più tensione di gate di ciò di cui hai bisogno. Questo, in modo rotatorio, è ciò che fa la pinza per fornaio a un BJT.

Quindi, scopri che per attivare adeguatamente il FET devi (diciamo) 5 V ma applichi 10 V - 5 di quei volt devono essere "scaricati" prima che il FET inizi la fase di spegnimento.

È "facile" con un BJT automatizzare questo con diodi ma se puoi selezionare esattamente quanta tensione di gate devi applicare (dipendente dal circuito) e prendere in considerazione la temperatura e altre cose (ciò potrebbe significare che hai bisogno di un volt o altri due ), è possibile che tu stia risparmiando alcuni nano secondi.