Cómo reducir el retraso de apagado MOSFET

El título lo dice todo en aplicaciones de conmutación de señal: además de elegir un dispositivo diferente, ¿cómo puedo reducir el retraso de apagado de los MOSFET (canal N)? ¿Hay algo similar a la pinza Baker utilizada para BJT?

Una puerta MOSFET y un controlador se ven así:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

$C_G$ es principalmente la capacitancia de compuerta del MOSFET mismo. El controlador puede agregar algo de capacitancia propia, pero generalmente es insignificante.

R $L_G$ y provienen principalmente del circuito de controlador de puerta. Los líderes del MOSFET también contribuyen, pero en menor grado.$R_G$

L G C G V G $R_G$ también se agrega expresamente en algunos circuitos de controlador para amortiguar la resonancia de y . Sin esta amortiguación, el sonido puede hacer que el voltaje en la puerta de M1 tome excursiones transitorias mucho más allá del voltaje proporcionado por , que a veces excede el máximo especificado por el MOSFET y daña la puerta.$L_G$$C_G$$V_{GS}$

Para los tiempos de cambio más rápidos posibles, desea que todos estos sean lo menos posible.

Minimizar es bastante sencillo. No agregue más resistencia de la requerida, y no haga que las trazas de PCB sean demasiado delgadas. También desea que el controlador esté lo más cerca posible del MOSFET, y desea que sea algo capaz de hundirse y obtener alta corriente. La forma más sencilla de hacerlo podría ser agregar un par de seguidores de emisor push-pull BJT:$R_G$

^{simular este circuito}

Para ver un ejemplo más complejo, vea el lado bajo de un puente mosfet con 3.3V . Por supuesto, también hay soluciones integradas.

Si es más importante tener un apagado rápido que un encendido rápido (común en las aplicaciones de puente H), entonces se puede agregar D1 para omitir principalmente durante el apagado, mientras se conserva gran parte de la capacidad de amortiguación.$R_G$

Para minimizar , tenga en cuenta no solo la longitud de la traza de la puerta, sino también la ruta de retorno desde la fuente de regreso al controlador de la puerta. Recuerde, la corriente de carga de la compuerta debe fluir a través de la compuerta y la fuente, y de regreso al conductor. La inductancia de este bucle es proporcional al área que rodea, y a altas frecuencias, esta inductancia limitará la velocidad de conmutación mucho más que la resistencia . La práctica común de diseño es tener un plano de tierra sólido debajo del MOSFET y el controlador, con la traza de la puerta lo más corta posible sobre esto. Cuando necesite conectar capas con vías, incluya varias, si es posible, para minimizar su inductancia efectiva.R $L_G$$R_G$

Recuerde también que y incluyen la impedancia de la fuente de alimentación. Asegúrese de que el controlador de la puerta esté adecuadamente provisto de condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación. Use varios, en paralelo, para maximizar la capacitancia y minimizar la inductancia.R $L_G$$R_G$

R D S ( o n $C_G$ no se puede reducir directamente, excepto seleccionando un MOSFET diferente. Los MOSFET más caros pueden ofrecer menos capacitancia de compuerta para un o una capacidad máxima de manejo de corriente. Además, no use un MOSFET con una capacidad de manejo más actual que la necesaria; lo pagará con una mayor capacidad de la puerta.$R_{DS(on)}$

La mayoría de los diseños de controladores de puertas también pueden beneficiarse al conducir la puerta a un voltaje negativo . Al aplicar un voltaje más alto a y , la corriente será mayor, más rápida, lo que conducirá a una mayor y, por lo tanto, a un apagado más rápido. También recuerde que cuanto más alto haga , más rápido podrá cambiar, pero también peor será el timbre.R G d $L_G$$R_G$ d$\frac{di}{dt}$$\frac{di}{dt}$

Además, tenga en cuenta que si logra alcanzar un apagado muy rápido, puede toparse con el límite su MOSFET . A medida que aumenta el voltaje de la fuente de drenaje, se debe cargar la capacitancia de la compuerta de drenaje y del cuerpo de drenaje, y esto significa que el controlador de la compuerta debe hundir esa corriente de carga. Si no puede, entonces el voltaje de la puerta puede aumentar lo suficiente como para volver a encender el MOSFET y, dependiendo de su circuito, podría ocurrir algo malo. Por lo general, esto significa disparar a través de los puentes H.$\frac{dv}{dt}$

de International Rectifier - Conceptos básicos de Power MOSFET

Esta es otra razón para incluir D1 si ha agregado intencionalmente .$R_G$

El concepto de una abrazadera de panadero también se puede aplicar a un MOSFET, simplemente no conduciendo la puerta a un voltaje más alto de lo necesario. Sin embargo, a diferencia de los BJT, los MOSFET experimentan una disminución de medida que aumenta, por lo que hay algún valor en elevar encima del umbral de . V G S V G $R_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

un ejemplo, para 2N7000

Tendrá que calcular sus límites térmicos para ver si puede obtener algo aquí, pero diría que si es lo suficientemente bajo como para que no necesite conducir la puerta muy alto, obtendrá un mejor rendimiento al seleccionando un MOSFET diferente con una capacitancia general de compuerta más baja y una más alta . Esto se debe a que la mayor parte de la carga que tiene que mover, y por lo tanto el tiempo que tiene que esperar para encender o apagar, se gasta cuando el voltaje de la puerta cruza el voltaje umbral : R D S ( o n ) V t $R_{DS}$$R_{DS(on)}$$V_{th}$

2N7000 de nuevo. La sección plana en el medio está en .$V_{th}$

Aumentar el voltaje de la puerta por encima de requiere relativamente poca carga, pero puede obtener reducciones sustanciales en . R D $V_{th}$$R_{DS}$

No estoy tratando de competir con la respuesta de Phil, porque es realmente buena. Pero, un par de cosas para pensar.

No menciona qué tipo de parte está utilizando, pero si realmente necesita reducir el retraso de apagado, es posible que necesite usar una parte de montaje en superficie. Una parte de un TO-220, por ejemplo, se habrá integrado en el paquete de 7nH de inductancia y hasta 10 ohmios de resistencia de compuerta que no puede hacer nada. Mientras que una parte de montaje en superficie tendría más inductancia de 3nH y resistencia de compuerta de 3 Ohms, que podría cambiarse mucho más rápido.

En cuanto a sacar la carga de la puerta más rápido, podría considerar agregar un transistor pnp pull down en la puerta del FET. Algo como esto:

El transistor Q5 actúa como un tirón local de baja inductancia que divide cualquier resistencia del circuito de compuerta aguas arriba por el transistor . Esto es algo así como la idea de Phil de usar el diodo, excepto que obtienes el beneficio de la ganancia. $\beta$

Si desea pautas cuantitativas para encontrar la resistencia mínima de la puerta que debe usarse, puede consultar esta publicación.

Hay varias cosas que puede hacer para acelerar el apagado de un MOSFET.

1) Use un controlador de compuerta de menor impedancia que sea capaz de descargar la capacitancia de la compuerta más rápido.

2) Si tiene una resistencia en serie desde el controlador de la compuerta hasta la compuerta, intente reducir un poco el valor de esta resistencia.

3) Si hay una resistencia en serie con la puerta del conductor, intente colocar un condensador a través de esta resistencia en serie. Esto puede acelerar el apagado del FET siempre que el controlador tenga una impedancia lo suficientemente baja y la constante de tiempo R / C del par resistor / capacitor permita que el capacitor se descargue antes de la transición de encendido a apagado.

4) Intente sesgar el controlador de puerta para el FET para que la puerta oscile una pequeña cantidad por debajo del voltaje de la fuente durante y después de la transición de la puerta. Si la fuente está en GND, intente obtener la puerta unos cientos de milivoltios por debajo de GND.

Aparte de lo que dice Michael Karas, no tiene sentido aplicar más voltaje de compuerta del que necesita. Esto, de forma indirecta, es lo que la pinza de panadero le hace a un BJT.

Entonces, usted encuentra que para encender el FET adecuadamente necesita (digamos) 5V pero aplica 10V - 5 de esos voltios deben ser "descargados" antes de que el FET comience la fase de apagado.

Es "fácil" con un BJT automatizar esto con diodos, pero si puede seleccionar exactamente cuánto voltaje de compuerta necesita aplicar (depende de la placa de circuito) y tener en cuenta la temperatura y otras cosas (eso puede significar que necesita un voltaje o dos más) ), entonces podría estar ahorrando unos pocos nano segundos.