MOSFET: ¿Cuándo no podemos suponer que la corriente de puerta es 0?
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Una regla general común que se escucha al aprender Ingeniería Eléctrica es que la corriente de compuerta de un MOSFET siempre es aproximadamente 0. ¿Cuándo no es seguro asumir que es 0?
Una compuerta FET puede tener una resistencia pull-up / down, diseñando más que la corriente de fuga de la compuerta.
tyblu
Respuestas:
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En condiciones transitorias, la corriente de la puerta será distinta de cero ya que necesita cargar (o descargar) la capacitancia de la puerta y esto requiere corriente. Cuanto mayor es la corriente de la puerta, más rápido cambia el voltaje de la puerta y más rápido cambia el dispositivo. Una vez que se completa la transición del interruptor, la corriente de la puerta se aproxima a cero (y es principalmente la corriente de fuga).
Para frecuencias de conmutación bajas (PWM), la corriente de puerta rms será baja. Las frecuencias de conmutación más altas aumentarán la corriente rms.
Todos los aspectos de esta respuesta imparten un sentido muy fuerte de deja vu :-)
Russell McMahon
"Las frecuencias de conmutación más altas aumentarán el promedio del valor absoluto de la corriente ". La corriente promedio es independiente de la frecuencia.
Telaclavo
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Todos los aspectos de esta respuesta imparten un sentido muy fuerte de deja vu :-) :-)
Russell McMahon
@Telaclavo: la corriente promedio será independiente de la frecuencia en cualquier período de tiempo suficiente, porque es (idealmente) cero. Cualquier valor distinto de cero significará que los cargos se acumulan continuamente y una puerta no puede almacenar un suministro interminable de cargos. Sin embargo, el valor absoluto no lo es. Las frecuencias más altas implican que las mismas cargas se mueven hacia y desde la puerta a una velocidad más alta, es decir, una corriente absoluta más alta.
Marks Thomas
@Telaclavo - buena captura; Cambié el promedio a rms ...
madrivereric
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La excepción más importante generalmente no es la fuga estática, sino cuando se carga o descarga la capacitancia de la puerta para encenderla o apagarla.
Las corrientes de puerta de alrededor de 0.1 a 1 amperio generalmente se requieren para cargar y descargar la capacitancia de la puerta en tiempos útiles rápidos.
Demasiado rápido conduce a pérdidas adicionales.
Demasiado lento conduce a que el FET esté en estado resistivo activo entre apagado y encendido y disipe cantidades muy sustanciales de energía en relación con lo que se puede lograr con un diseño adecuado.
Esta es la razón por la que se requieren controladores de compuerta y por qué no puede simplemente conducir una compuerta MOSFET a altas frecuencias desde un pin del microcontrolador que normalmente puede entregar de 1 a 30 mA, incluso cuando se cumplen bien los requisitos de voltaje.
_______________________________-
Relacionado - Corrientes de accionamiento de puerta MOSFET:
A menudo no se aprecia que un MOSFET que se conmuta a 10 kHz más puede necesitar corrientes de accionamiento de compuerta en el rango 0.1A - 1A para lograr tiempos de conmutación adecuados, dependiendo en cierta medida de la aplicación. En muchos 10 de kHz, la unidad de puerta en el extremo superior del rango sería común.
Las hojas de datos MOSFET especifican la carga y la capacitancia de la puerta. Las capacitancias están típicamente en el rango de "pocos nanoFaradios" y la carga de la puerta es típicamente de unas pocas decenas de nanocoulombs y la capacitancia de entrada es típicamente una nanoFard o pocas.
Usando el selector paramétrico Digikeys, solo subconjunto N MOSFETS de canal de 60-100 V Vds y 10-20 Amp Ids.
La carga de la puerta fue tan baja como 3.4 nC y capacitancia de entrada = 256 pF y
tan alta como 225 nC con capacitancia de entrada de 5700 pF
con cuartil medio inferior = 18 nC y 870 pF y
cuartil medio superior = 46 nC y 1200 pF
Esa carga tiene que "bombearse" dentro y fuera de la capacitancia de la puerta.
Si tiene PWMing a unos 10 kHz, entonces 1 ciclo = 100 uS, por lo que esperaría que los tiempos de conmutación fueran una pequeña fracción de eso. Si desea cargar o descargar unos pocos nF a / de cero a típicamente de 3V a 12V, entonces es necesario tener al menos 100 de mA de unidad.
1 Coulomb = 1 amp.segundo, por lo que 10 nC requiere 1 A media para 0.01 uS o 0.1A media para 0.1 uS. El horrendo MOSFET atípico anterior con carga de puerta de 225 nC tardaría 0.225 uS en cargarse a 1A y 2.25 uS a 0.1A. La razón por la que este FET es mucho peor que la mayoría es porque es "especial: es un dispositivo de modo de agotamiento de 100V 16A que generalmente está encendido sin voltaje de compuerta y requiere voltaje de compuerta negativo para apagarlo. Sin embargo, uno todavía puede ser" atrapado "por ejemplo, esta parte de 60V, 20A con carga de puerta de más de 100 nC.
Esta parte más normal de 60V 14A tiene una carga máxima de puerta de 18 nC. ¡Conduzca desde un pin del puerto del microcontrolador a 10 mA y tomará! 1.8 uS para cargar el condensador de puerta, probablemente aceptable a 10 kHz y muy malo a 100 kHz. Con tiempos de cambio de subida y bajada de 110 y 41 nS cuando se 'maneja adecuadamente', querrá algo mejor que ~ 2 tiempos de carga de puerta de EE. UU. Para cambiarlo en cualquier lugar cerca de sus límites superiores.
Ejemplo:
Controlador de puerta de 200 nS de lado alto
La fuente de este circuito no es segura, creo que a través del miembro PICList. Puede verificar si a alguien le importa. Tenga en cuenta que este circuito es considerablemente más "inteligente" de lo que puede parecer. (Olin es aficionado a la disposición de entrada utilizada aquí). La oscilación ~ = 3V a través de R14 provoca una oscilación de aproximadamente 15V sobre R15, por lo que las bases Q14 / Q15 oscilan de + 30V a aproximadamente + 15V, proporcionando ~ 15V si la compuerta del lado alto condujo al MOSFET del canal P.
¿Qué tipo de MOSFET está describiendo? (Re: "... normalmente se requiere ...".)
tyblu
@tyblu: casi cualquier tipo de MOSFET de potencia que conmuta más que corrientes triviales. Digamos unos cientos de mA en adelante. Mire las hojas de datos para la carga de la puerta y la capacitancia de la puerta. Esa carga tiene que "bombearse" dentro y fuera de la capacitancia de la puerta. Si tiene PWMing a unos 10 kHz, entonces 1 ciclo = 100 uS, por lo que esperaría que los tiempos de conmutación fueran una pequeña fracción de eso. Si desea cargar o descargar algunos NF a / de cero a típicamente 3V a 12V, entonces es necesario tener al menos 100 mA de unidad de disco.
Russell McMahon
Ah, los FET de potencia. Estoy acostumbrado a <500mA Ids, donde la entrada es <1nF. Tenga en cuenta que la hoja de datos indica que las capacitancias de las puertas están siempre a una frecuencia determinada (por ejemplo, 1 MHz).
tyblu
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Consulte la hoja de datos. Para este MOSFET , especifican una corriente de fuga de puerta a fuente de máximo 100nA. Si maneja el FET desde un opamp, por ejemplo, probablemente pueda ignorar eso. Si está utilizando un voltaje estático con una carga muy baja, 100nA puede ser demasiado. Todo depende de su aplicación, pero en la mayoría de los casos esta corriente estática será insignificante. Encender y apagar hará que un pico de corriente mucho más grande cargue y descargue la capacitancia de la puerta.
Situación hipotética: digamos que desea implementar instrumentación / detección de voltajes generados por cargas muy pequeñas. (Cargas que podrían ser drenadas incluso por una pequeña corriente a través de una impedancia muy alta).
Aquí hay algunas formas de onda que indican algunas de las naturalezas transitorias de un MOSFET grande. La corriente de la compuerta se eleva durante la conmutación y puede haber causado una caída en el voltaje de accionamiento de la compuerta aquí. (línea de color negro)
.
El gráfico es bueno, pero necesita más anotaciones ...
tyblu
0
Creo que esta generalización proviene de comparar un MOSFET con un BJT en términos de una aplicación de amplificación idealizada.
"Un BJT es un dispositivo controlado por corriente (corriente base que controla la corriente del colector, voltaje base sujeto a una caída directa de PN) mientras que un MOSFET es un dispositivo de transconductancia (la corriente base es insignificante, el voltaje base controla la corriente del colector)", como dice el maestro .
Cuando se habla de amplificadores de "estado estable" (sin conmutación fuerte o grandes oscilaciones en la polarización), la suposición de "corriente de base cero" es lo suficientemente cierta como para permitirle realizar un trabajo significativo.
Cuando introduce la conmutación dura de alta frecuencia, como otros han señalado, las capacidades inherentes del MOSFET dominan el comportamiento (es decir, la corriente de base consumida es una función de cargar y descargar la capacitancia de la puerta), por lo que se invalida el supuesto de 'corriente cero'.
Respuestas:
En condiciones transitorias, la corriente de la puerta será distinta de cero ya que necesita cargar (o descargar) la capacitancia de la puerta y esto requiere corriente. Cuanto mayor es la corriente de la puerta, más rápido cambia el voltaje de la puerta y más rápido cambia el dispositivo. Una vez que se completa la transición del interruptor, la corriente de la puerta se aproxima a cero (y es principalmente la corriente de fuga).
Para frecuencias de conmutación bajas (PWM), la corriente de puerta rms será baja. Las frecuencias de conmutación más altas aumentarán la corriente rms.
fuente
La excepción más importante generalmente no es la fuga estática, sino cuando se carga o descarga la capacitancia de la puerta para encenderla o apagarla.
Las corrientes de puerta de alrededor de 0.1 a 1 amperio generalmente se requieren para cargar y descargar la capacitancia de la puerta en tiempos útiles rápidos.
Demasiado rápido conduce a pérdidas adicionales.
Demasiado lento conduce a que el FET esté en estado resistivo activo entre apagado y encendido y disipe cantidades muy sustanciales de energía en relación con lo que se puede lograr con un diseño adecuado.
Esta es la razón por la que se requieren controladores de compuerta y por qué no puede simplemente conducir una compuerta MOSFET a altas frecuencias desde un pin del microcontrolador que normalmente puede entregar de 1 a 30 mA, incluso cuando se cumplen bien los requisitos de voltaje.
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Relacionado - Corrientes de accionamiento de puerta MOSFET:
A menudo no se aprecia que un MOSFET que se conmuta a 10 kHz más puede necesitar corrientes de accionamiento de compuerta en el rango 0.1A - 1A para lograr tiempos de conmutación adecuados, dependiendo en cierta medida de la aplicación. En muchos 10 de kHz, la unidad de puerta en el extremo superior del rango sería común.
Las hojas de datos MOSFET especifican la carga y la capacitancia de la puerta. Las capacitancias están típicamente en el rango de "pocos nanoFaradios" y la carga de la puerta es típicamente de unas pocas decenas de nanocoulombs y la capacitancia de entrada es típicamente una nanoFard o pocas.
Usando el selector paramétrico Digikeys, solo subconjunto N MOSFETS de canal de 60-100 V Vds y 10-20 Amp Ids.
La carga de la puerta fue tan baja como 3.4 nC y capacitancia de entrada = 256 pF y
tan alta como 225 nC con capacitancia de entrada de 5700 pF
con cuartil medio inferior = 18 nC y 870 pF y
cuartil medio superior = 46 nC y 1200 pF
Esa carga tiene que "bombearse" dentro y fuera de la capacitancia de la puerta.
Si tiene PWMing a unos 10 kHz, entonces 1 ciclo = 100 uS, por lo que esperaría que los tiempos de conmutación fueran una pequeña fracción de eso. Si desea cargar o descargar unos pocos nF a / de cero a típicamente de 3V a 12V, entonces es necesario tener al menos 100 de mA de unidad.
1 Coulomb = 1 amp.segundo, por lo que 10 nC requiere 1 A media para 0.01 uS o 0.1A media para 0.1 uS. El horrendo MOSFET atípico anterior con carga de puerta de 225 nC tardaría 0.225 uS en cargarse a 1A y 2.25 uS a 0.1A. La razón por la que este FET es mucho peor que la mayoría es porque es "especial: es un dispositivo de modo de agotamiento de 100V 16A que generalmente está encendido sin voltaje de compuerta y requiere voltaje de compuerta negativo para apagarlo. Sin embargo, uno todavía puede ser" atrapado "por ejemplo, esta parte de 60V, 20A con carga de puerta de más de 100 nC.
Esta parte más normal de 60V 14A tiene una carga máxima de puerta de 18 nC. ¡Conduzca desde un pin del puerto del microcontrolador a 10 mA y tomará! 1.8 uS para cargar el condensador de puerta, probablemente aceptable a 10 kHz y muy malo a 100 kHz. Con tiempos de cambio de subida y bajada de 110 y 41 nS cuando se 'maneja adecuadamente', querrá algo mejor que ~ 2 tiempos de carga de puerta de EE. UU. Para cambiarlo en cualquier lugar cerca de sus límites superiores.
Ejemplo:
Controlador de puerta de 200 nS de lado alto
La fuente de este circuito no es segura, creo que a través del miembro PICList. Puede verificar si a alguien le importa. Tenga en cuenta que este circuito es considerablemente más "inteligente" de lo que puede parecer. (Olin es aficionado a la disposición de entrada utilizada aquí). La oscilación ~ = 3V a través de R14 provoca una oscilación de aproximadamente 15V sobre R15, por lo que las bases Q14 / Q15 oscilan de + 30V a aproximadamente + 15V, proporcionando ~ 15V si la compuerta del lado alto condujo al MOSFET del canal P.
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Consulte la hoja de datos. Para este MOSFET , especifican una corriente de fuga de puerta a fuente de máximo 100nA. Si maneja el FET desde un opamp, por ejemplo, probablemente pueda ignorar eso. Si está utilizando un voltaje estático con una carga muy baja, 100nA puede ser demasiado. Todo depende de su aplicación, pero en la mayoría de los casos esta corriente estática será insignificante. Encender y apagar hará que un pico de corriente mucho más grande cargue y descargue la capacitancia de la puerta.
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Situación hipotética: digamos que desea implementar instrumentación / detección de voltajes generados por cargas muy pequeñas. (Cargas que podrían ser drenadas incluso por una pequeña corriente a través de una impedancia muy alta).
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Aquí hay algunas formas de onda que indican algunas de las naturalezas transitorias de un MOSFET grande. La corriente de la compuerta se eleva durante la conmutación y puede haber causado una caída en el voltaje de accionamiento de la compuerta aquí. (línea de color negro)
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Creo que esta generalización proviene de comparar un MOSFET con un BJT en términos de una aplicación de amplificación idealizada.
"Un BJT es un dispositivo controlado por corriente (corriente base que controla la corriente del colector, voltaje base sujeto a una caída directa de PN) mientras que un MOSFET es un dispositivo de transconductancia (la corriente base es insignificante, el voltaje base controla la corriente del colector)", como dice el maestro .
Cuando se habla de amplificadores de "estado estable" (sin conmutación fuerte o grandes oscilaciones en la polarización), la suposición de "corriente de base cero" es lo suficientemente cierta como para permitirle realizar un trabajo significativo.
Cuando introduce la conmutación dura de alta frecuencia, como otros han señalado, las capacidades inherentes del MOSFET dominan el comportamiento (es decir, la corriente de base consumida es una función de cargar y descargar la capacitancia de la puerta), por lo que se invalida el supuesto de 'corriente cero'.
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