Capacitância do portão vs. carga do portão nos FETs n-ch e como calcular a dissipação de energia durante o carregamento / descarregamento do portão

Estou usando um driver MOSFET ( TC4427A ), que pode cobrar uma capacitância de porta de 1nF em cerca de 30ns.

O MOSFET N-ch duplo que estou usando (Si4946EY) tem uma carga de porta de 30nC (máx) por fet. Por enquanto, só estou considerando um, já que ambos no dado são idênticos. Estou dirigindo o portão para 5V. (É um fet de nível lógico.)

Isso significa que posso aplicar Q = CV para calcular a capacitância? C = 30nC / 5V = 6nF. Assim, meu motorista pode ligar totalmente o portão em cerca de 180ns.

Minha lógica está correta?

A resistência da porta do MOSFET é especificada no máximo. de 3,6 ohms. Isso terá algum efeito nos cálculos acima? O driver possui uma resistência de 9 ohm.

Existe alguma diferença significativa para quando o portão é descarregado em vez de carregado? (desligando o feto.)

Como uma questão paralela, durante os 180ns o feto não está totalmente ativo. Portanto, o Rds (não muito ligado) é bastante alto. Como posso calcular quanta dissipação de energia ocorrerá durante esse período?

$V_{GS}$$\frac{10nC}{5V}$$C_{ISS}$

$\Omega$$\Omega$$\times$$\Omega \times$

Em teoria, haverá uma pequena diferença entre ligar e desligar, porque ao desligar, você começa a partir de uma temperatura mais alta. Mas se o tempo entre ligado e desligado for pequeno (muita margem aqui, falamos de dezenas de segundos), a temperatura será constante e a característica será mais ou menos simétrica.

$V_{GS}$$V_{DS}$$I_D$$V_{DS}$

A especificação na folha de dados diz V _GS = 10 V, então não. Seria C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Mas este é um máximo absoluto.

Em vez de um único valor de capacitância, eles especificam a capacitância como um gráfico na página 3. Os significados de c _iss c _rss e c _oss são dados nesta figura do documento 5. Acho que você se importa mais com c _iss , que é de cerca de 900 pF de acordo com o gráfico.

Referenciando esta nota do aplicativo Fairchild sobre a comutação MOSFET , esta nota do Infineon sobre figura de mérito , esta nota de RI e minha própria experiência:

$Q_g$

• $Q_{gs}$
• $Q_{gd}$

$C_{iss}$

$Q_{gs}$$I_D$$V_{DS}$$Q_{gd}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

A resistência da porta MOSFET é adicionada com qualquer resistência externa que você tiver para determinar a corrente de carregamento. No seu caso, como você está cobrando apenas 5V, você não maximizará a capacidade atual do seu driver.

O descarregamento do portão é relativamente idêntico ao carregamento, na medida em que os limites permanecem os mesmos. Se o thresold de ativação é de 4V e você cobra a 5V, você pode imaginar que haverá uma pequena assimetria no tempo de ativação versus o tempo de desativação, pois você está descarregando apenas 1V para obter a desativação vs. 4V para ativar.

De acordo com o comentário anterior, é bastante comum ver redes de resistores e diodos nos circuitos de acionamento MOSFET para adaptar as correntes de carga de ativação e desativação.

dissipação de energia durante a ativação e desativação

Você pode pensar que o transistor que fica mais quente durante essas transições tem algo a ver com as tensões internas, as correntes e as capacitâncias do transistor.

Na prática, desde que você ligue ou desligue um interruptor com a rapidez suficiente, os detalhes internos do interruptor são irrelevantes. Se você puxar a chave completamente para fora do circuito, as outras coisas no circuito inevitavelmente terão alguma capacitância parasita C entre os dois nós em que a chave liga e desliga. Quando você insere um interruptor de qualquer tipo nesse circuito, com o interruptor desligado, essa capacitância carrega até certa tensão V, armazenando CV ^ 2/2 watts de energia.

Não importa que tipo de interruptor seja, quando você liga, todos os CV ^ 2/2 watts de energia são dissipados nesse interruptor. (Se ele mudar muito lentamente, talvez mais energia seja dissipada nesse interruptor).

Para calcular a energia dissipada no seu comutador mosfet, encontre a capacitância externa total C à qual ele está conectado (provavelmente o parasita) e a tensão V que os terminais do comutador carregam antes que o comutador seja ligado. A energia dissipada em qualquer tipo de interruptor é

• E_turn_on = CV / 2

a cada ativação.

A energia dissipada nas resistências que controlam o portão, seu FET é

• E_gate = Q_g V

Onde

• V = oscilação da tensão do portão (a partir da sua descrição, é 5 V)
• Q_g = a quantidade de carga que você pressiona através do pino do portão para ligar ou desligar o transistor (na folha de dados do FET, são cerca de 10 nC a 5 V)

A mesma energia E_gate é dissipada durante a ativação e novamente durante a desativação.

Parte dessa energia E_gate é dissipada no transistor e parte é dissipada no chip do driver FET - eu costumo usar uma análise pessimista que assume que toda essa energia é dissipada no transistor e também toda essa energia é dissipada no driver FET.

Se o seu interruptor desligar o suficiente rapidamente, a energia dissipada durante o desligamento é normalmente insignificante em comparação com a energia dissipada durante o acionamento. Você poderia colocar um limite de pior caso (para cargas altamente indutivas) de

• E_turn_off = IVt (pior caso)

Onde

• I é a corrente através do interruptor imediatamente antes de desligar,
• V é a tensão no interruptor logo após o desligamento e
• t é o tempo de comutação de ligado para desligado.

Então a energia dissipada no feto é

• P = comutação P + on

Onde

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * switching_frequency
• switching_frequency é o número de vezes por segundo em que você alterna o ciclo
• P_on = IRd = a energia dissipada enquanto o interruptor está ligado
• I é a corrente média quando o interruptor está ligado,
• R é a resistência no estado do FET, e
• d é a fração do tempo em que a chave está ligada (use d = 0,999 para estimativas do pior caso).

Muitas pontes H aproveitam o diodo do corpo (geralmente indesejável) como um diodo de retorno para capturar a corrente de retorno indutivo. Se você fizer isso (em vez de usar diodos externos Schottky), também precisará adicionar a potência dissipada nesse diodo.