Cómo determinar la frecuencia PWM máxima para el transistor (2SK2554)

¿Cómo puedo determinar (estimar) la frecuencia PWM máxima razonable para el transistor 2SK2554?

Encontré tiempos en la hoja de datos :

Podría estimar la frecuencia a partir de esto (y asegurarme de que todos estos tiempos sean 20-50x más cortos que la duración de mi ciclo PWM o algo así. Pero tengo Vgs entre 4-5V, mi corriente máxima es 10A.

Lo pregunto porque ahora tengo un PWM lento (~ 1kHz), pero quiero saber qué tan rápido puede ser mi PWM sin perder demasiada potencia durante el cambio.

Mi carga es una batería de plomo-ácido grande (carga) o resistiva (descarga).

Hasta ahora, he hecho una simulación con un transistor similar, un poco más pequeño (2SK2553) porque no había 2SK2554 en mi Multisim.

Este es el gráfico para Vgs = 4V.

¿Cuánto tiempo (en porcentaje, por ejemplo) puede tomar mi tiempo de conmutación del tiempo del ciclo PWM?

El factor principal que determina la velocidad de conmutación no es solo el MOSFET en sí, sino el circuito en el que está conectado.

Desde el punto de vista de la puerta (es decir, el PoV de su señal PWM), el MOSFET puede verse como un simple condensador. El MOSFET se considera ENCENDIDO cuando el voltaje a través de ese condensador está por encima del voltaje umbral$V_{th}$ y apagado cuando está debajo (es más complejo que eso, pero ese es un modelo simplificado por ahora).

Por lo tanto, básicamente se reduce a qué tan rápido puede cargar y descargar ese condensador .

Cuanto más tarde en cargarse o descargarse el capacitor, más tiempo tardará el dispositivo en cambiar, y más energía se disipará durante ese período de cambio.

Hay un muy buen documento PDF de International Rectifier que le presenta los conceptos básicos de MOSFET . La sección titulada "Gate Charge" es una buena lectura para este problema.

Se puede simplificar a las fórmulas RC estándar para calcular el tiempo de carga de un condensador $\tau=R \times C$- la capacitancia de la puerta, multiplicada por la resistencia de la porción del circuito que carga o descarga la puerta. Por ejemplo, si está cambiando la puerta a través de 100Ω y la puerta tiene una capacitancia de 7700pF, el tiempo de subida sería$100 × 7.7e-9 = 770ns$por 63.2% de carga. Ajuste ese tiempo para adaptarse al voltaje umbral exacto y al voltaje de su unidad, por supuesto.

Supongamos que tiene PWM de 8 bits, es decir, 256 valores posibles, por lo que necesita un mínimo absoluto de 770ns * 256 segmentos de tiempo para la conmutación, que es 197.120 µs, o una frecuencia máxima absoluta de 5073Hz. Lo limitaría a la mitad para garantizar un mínimo de una porción de unidad de nivel entre el encendido y el apagado.

Por supuesto, eso es solo un valor aproximado. Si lee ese PDF y lo compara con los valores de la hoja de datos, puede obtener valores más precisos.

Cuando un escalón golpea una puerta mosfet, se produce un retraso antes de que el mos esté completamente encendido. Esto debe tenerse en cuenta si no desea terminar con un MOS que pasa la mayor parte del tiempo encendiendo (apagado) en lugar de (no) conduciendo en sus estados ideales, es decir, "completamente encendido" y "completamente apagado" .

Cuando llegan los pasos, suceden dos cosas: la capacidad de la fuente de la puerta debe cargarse y la región de inversión debe formarse debajo de la puerta. Hay una especie de retraso "inactivo", es decir, no sucede nada, tanto en el encendido como en el apagado, ya que cuando la carga en la puerta está por debajo o por encima de cierto umbral, no puede fluir corriente (o toda la corriente posible): ese retraso es El tiempo de retraso.

Los tiempos de subida y bajada tienen en cuenta el tiempo que la corriente necesita para alcanzar su valor máximo, o cero, es como si estuvieras caminando a lo largo de las características mos en la región lineal (triodo).

Si bien los tiempos de retraso son probablemente bastante constantes, los tiempos de subida y bajada dependen en gran medida del voltaje de la puerta:

• al encender, cuanto mayor sea el voltaje de la puerta objetivo , menor será el tiempo de subida
• al apagar, cuanto menor es el voltaje de la puerta de inicio , menor es el tiempo de caída

A veces manejas la puerta con un alto voltaje para encenderla rápidamente, luego regresas al mínimo $V_{GS}$ eso garantiza la saturación para que el apagado también sea más rápido.

Acerca de sus tiempos, comenzaría a sumar el retraso y el tiempo de subida (caída) para cada transición:

Supongamos que quiere pasar como máximo el 1% de su tiempo encendiendo o apagando su mos: usted toma $t_{ON}+t_{OFF}=2580ns$, multiplíquelo por 100 y tendrá su período: 258000ns, o 258us, es decir, aproximadamente 4kHz. En los comentarios simplemente estaba descuidando el tiempo de entrega.

El 1% es un límite bastante conservador de todos modos, significa que la onda realmente se ve como una onda cuadrada si se ve a través de un alcance. Probablemente pueda ir un poco más alto y estar seguro, es decir, no se está disipando mucho.