MOSFET: Quando não podemos assumir que a corrente do portão é 0?
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Uma regra geral que você ouve quando aprende Engenharia Elétrica é que a corrente do portão de um MOSFET é sempre aproximadamente 0. Quando não é seguro assumir que é 0?
Uma porta FET pode ter um resistor pull-up / down, projetando mais do que a corrente de fuga da porta.
Tyblu
Respostas:
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Sob condições transitórias, a corrente do portão será diferente de zero, pois você precisa carregar (ou descarregar) a capacitância do portão e isso exige corrente. Quanto maior a corrente do portão, mais rápida a tensão do portão muda e mais rápido o dispositivo alterna. Depois que a transição do comutador é concluída, a corrente do portão se aproxima de zero (e é principalmente a corrente de fuga).
Para frequências de chaveamento baixo (PWM), a corrente do gate rms será baixa. Frequências de comutação mais altas aumentarão a corrente eficaz.
Todos os aspectos desta resposta transmitir uma forte sensação de déjà vu :-)
Russell McMahon
"Frequências de chaveamento mais altas aumentarão a média do valor absoluto da corrente ". A corrente média é independente da frequência.
Telaclavo
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Todos os aspectos desta resposta transmitir uma forte sensação de déjà vu :-) :-)
Russell McMahon
@Telaclavo - A corrente média será independente da frequência em qualquer período de tempo suficiente, porque é (idealmente) zero. Qualquer valor diferente de zero significa que as cobranças são acumuladas continuamente e um portão não pode armazenar um suprimento infinito de cobranças. O valor absoluto, no entanto, não é. Frequências mais altas implicam que as mesmas cargas sejam movidas de e para o portão a uma taxa mais alta, ou seja, uma corrente absoluta mais alta.
Marcks Thomas
@Telaclavo - boa captura; Eu mudei a média para rms ...
madrivereric
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A exceção mais importante geralmente não é o vazamento estático, mas ao carregar ou descarregar a capacitância do portão para ativá-lo ou desativá-lo.
Normalmente, são necessárias correntes de porta de cerca de 0,1 a 1 A para carregar e descarregar a capacitância da porta em tempos úteis e rápidos.
Rápido demais leva a perdas extras.
Muito lento leva o FET a estar em estado resistivo ativo entre desligado e ligado e dissipando quantidades muito substanciais de energia em relação ao que pode ser alcançado com o design adequado.
É por isso que os drivers de porta são necessários e por que você não pode simplesmente acionar uma porta MOSFET em altas frequências a partir de um pino de microcontrolador normalmente capaz de fornecer 1 a 30 mA, mesmo quando os requisitos de tensão são bem atendidos.
_______________________________-
Relacionado - Correntes de acionamento de porta MOSFET:
Muitas vezes, não é apreciado que um MOSFET sendo comutado a 10 kHz mais pode precisar de correntes de acionamento de porta na faixa de 0,1A a 1A para obter tempos de comutação adequados - dependendo da aplicação. Em muitos 10s de kHz, o acionamento do portão na extremidade mais alta da faixa seria comum.
As folhas de dados do MOSFET especificam a carga e a capacitância da porta. As capacitâncias estão tipicamente na faixa de "poucas nanoFarad" e a carga do portão é tipicamente algumas dezenas de nanocoulombs e a capacitância de entrada é tipicamente uma nanoFard ou poucas.
Usando o seletor paramétrico Digikeys, subconjunto MOSFETS do canal N de 60-100 V Vds e 10-20 Amp Ids.
A carga da porta era tão baixa quanto 3,4 nC e capacitância de entrada = 256 pF e
tão alta quanto 225 nC com capacitância de 5700 pF
com quartil mediano inferior = 18 nC e 870 pF e
quartil mediano superior = 46 nC e 1200 pF
Essa carga deve ser "bombeada" para dentro e para fora da capacitância do portão.
Se você usa PWM em 10 kHz, então 1 ciclo = 100 uS, então você esperaria que os tempos de comutação fossem uma pequena fração disso. Se você deseja carregar ou descarregar alguns nF de / para zero a tipicamente 3V a 12V, é necessário ter pelo menos 100 mA de inversor.
1 Coulomb = 1 amp.segundo, portanto 10 nC requer média de 1 A para 0,01 uS ou média de 0,1 A para 0,1 uS. O horrível MOSFET externo acima, com carga de 225 nC, levaria 0,225 uS para carregar em 1A e 2,25 uS em 0,1A. A razão pela qual esse FET é muito pior que a maioria é que eu sou "sepcial - é um dispositivo de modo de depleção de 100V 16A que geralmente está ligado sem tensão de porta e requer tensão de porta negativa para desligá-lo. No entanto, ainda pode ser" "por exemplo, esta peça de 60V, 20A com mais de 100 nC de carga na porta.
Esta parte mais normal de 60V 14A possui uma carga máxima de 18 nC. Dirija-o a partir de um pino de porta do microcontrolador a 10 mA e isso levará! 1,8 uS para carregar o capacitor de porta - provavelmente aceitável a 10 kHz e muito ruim a 100 kHz. Com tempos de comutação de subida e descida de 110 e 41 nS, quando 'acionado adequadamente', você deseja um tempo de carregamento de porta ~ 2 uS melhor do que 2 us para trocá-lo em qualquer lugar perto dos limites superiores.
Exemplo:
Motorista de portão lateral de 200 nS:
A fonte deste circuito não é certa - acho que é membro do PICList. Pode verificar se alguém se importa. Observe que este circuito é consideravelmente mais "inteligente" do que pode ser aparente. (Olin gosta do arranjo de entradas usado aqui). A oscilação de ~ = 3V em R14 causa uma oscilação de cerca de 15V em torno de R15, de modo que as bases Q14 / Q15 oscilam de + 30V a cerca de + 15V, fornecendo ~ 15V se o portão lateral alto conduzir ao MOSFET do canal P.
Que tipo de MOSFET você está descrevendo? (Re: "... normalmente necessários ...".)
tyblu
@tyblu - Quase qualquer tipo de MOSFET de potência alternando mais do que correntes triviais. Diga algumas centenas de mA em diante. Veja as folhas de dados para carga e capacitância do gate. Essa carga deve ser "bombeada" para dentro e para fora da capacitância do portão. Se você usa PWM em 10 kHz, então 1 ciclo = 100 uS, então você esperaria que os tempos de comutação fossem uma pequena fração disso. Se você deseja carregar ou descarregar algumas NF de / para zero a tipicamente de 3V a 12V, é necessário ter pelo menos 100 mA de inversor.
Russell McMahon
Ah, poder FETs. Estou acostumado a <500mA Ids, onde a entrada é <1nF. Observe que as capacitâncias de porta declaradas da folha de dados estão sempre em uma determinada frequência (por exemplo, 1 MHz).
Tyblu
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Verifique a folha de dados. Para este MOSFET, eles especificam uma porta para a fonte de corrente de fuga de no máximo 100nA. Se você estiver dirigindo o FET de um opamp, por exemplo, provavelmente poderá ignorar isso. Se você estiver usando alguma tensão estática com uma carga muito baixa, a 100nA pode ser demais. Tudo depende da sua aplicação, mas na maioria dos casos essa corrente estática será desprezível. Ligar e desligar fará com que um pico de corrente muito maior carregue e descarregue a capacitância da porta.
Situação hipotética: digamos que você queira implementar instrumentação / detecção de tensões geradas por cargas muito pequenas. (Cargas que podem ser drenadas mesmo por uma pequena corrente através de uma impedância muito alta.)
Aqui estão algumas formas de onda que indicam algumas das naturezas transitórias de um grande MOSFET. A corrente do portão fica alta durante a comutação e pode ter causado uma queda na tensão de acionamento do portão aqui. (linha preta)
.
A corrente de porta é uma das coisas não mostradas nesse gráfico, não é? E o que éVG G?
Telaclavo
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O gráfico é bom, mas precisa de mais algumas anotações ...
tyblu
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Eu acho que essa generalização vem da comparação de um MOSFET com um BJT em termos de uma aplicação de amplificação idealizada.
"Um BJT é um dispositivo controlado por corrente (corrente do coletor de controle de corrente base, tensão de base presa a uma queda direta PN) enquanto um MOSFET é um dispositivo de transcondutância (a corrente de base é insignificante, a tensão de base controla a corrente do coletor)", como o professor diz .
Quando você está falando de amplificadores de "estado estacionário" (sem comutação forçada ou grandes oscilações na polarização), a suposição de 'corrente de base zero' é verdadeira o suficiente para permitir que você faça um trabalho significativo.
Quando você introduz um chaveamento rígido de alta frequência, como outros salientaram, as capacitâncias inerentes do MOSFET dominam o comportamento (ou seja, a corrente de base consumida é uma função de carregar e descarregar a capacitância do gate), de modo que a suposição de 'corrente zero' é invalidada.
Respostas:
Sob condições transitórias, a corrente do portão será diferente de zero, pois você precisa carregar (ou descarregar) a capacitância do portão e isso exige corrente. Quanto maior a corrente do portão, mais rápida a tensão do portão muda e mais rápido o dispositivo alterna. Depois que a transição do comutador é concluída, a corrente do portão se aproxima de zero (e é principalmente a corrente de fuga).
Para frequências de chaveamento baixo (PWM), a corrente do gate rms será baixa. Frequências de comutação mais altas aumentarão a corrente eficaz.
fonte
A exceção mais importante geralmente não é o vazamento estático, mas ao carregar ou descarregar a capacitância do portão para ativá-lo ou desativá-lo.
Normalmente, são necessárias correntes de porta de cerca de 0,1 a 1 A para carregar e descarregar a capacitância da porta em tempos úteis e rápidos.
Rápido demais leva a perdas extras.
Muito lento leva o FET a estar em estado resistivo ativo entre desligado e ligado e dissipando quantidades muito substanciais de energia em relação ao que pode ser alcançado com o design adequado.
É por isso que os drivers de porta são necessários e por que você não pode simplesmente acionar uma porta MOSFET em altas frequências a partir de um pino de microcontrolador normalmente capaz de fornecer 1 a 30 mA, mesmo quando os requisitos de tensão são bem atendidos.
_______________________________-
Relacionado - Correntes de acionamento de porta MOSFET:
Muitas vezes, não é apreciado que um MOSFET sendo comutado a 10 kHz mais pode precisar de correntes de acionamento de porta na faixa de 0,1A a 1A para obter tempos de comutação adequados - dependendo da aplicação. Em muitos 10s de kHz, o acionamento do portão na extremidade mais alta da faixa seria comum.
As folhas de dados do MOSFET especificam a carga e a capacitância da porta. As capacitâncias estão tipicamente na faixa de "poucas nanoFarad" e a carga do portão é tipicamente algumas dezenas de nanocoulombs e a capacitância de entrada é tipicamente uma nanoFard ou poucas.
Usando o seletor paramétrico Digikeys, subconjunto MOSFETS do canal N de 60-100 V Vds e 10-20 Amp Ids.
A carga da porta era tão baixa quanto 3,4 nC e capacitância de entrada = 256 pF e
tão alta quanto 225 nC com capacitância de 5700 pF
com quartil mediano inferior = 18 nC e 870 pF e
quartil mediano superior = 46 nC e 1200 pF
Essa carga deve ser "bombeada" para dentro e para fora da capacitância do portão.
Se você usa PWM em 10 kHz, então 1 ciclo = 100 uS, então você esperaria que os tempos de comutação fossem uma pequena fração disso. Se você deseja carregar ou descarregar alguns nF de / para zero a tipicamente 3V a 12V, é necessário ter pelo menos 100 mA de inversor.
1 Coulomb = 1 amp.segundo, portanto 10 nC requer média de 1 A para 0,01 uS ou média de 0,1 A para 0,1 uS. O horrível MOSFET externo acima, com carga de 225 nC, levaria 0,225 uS para carregar em 1A e 2,25 uS em 0,1A. A razão pela qual esse FET é muito pior que a maioria é que eu sou "sepcial - é um dispositivo de modo de depleção de 100V 16A que geralmente está ligado sem tensão de porta e requer tensão de porta negativa para desligá-lo. No entanto, ainda pode ser" "por exemplo, esta peça de 60V, 20A com mais de 100 nC de carga na porta.
Esta parte mais normal de 60V 14A possui uma carga máxima de 18 nC. Dirija-o a partir de um pino de porta do microcontrolador a 10 mA e isso levará! 1,8 uS para carregar o capacitor de porta - provavelmente aceitável a 10 kHz e muito ruim a 100 kHz. Com tempos de comutação de subida e descida de 110 e 41 nS, quando 'acionado adequadamente', você deseja um tempo de carregamento de porta ~ 2 uS melhor do que 2 us para trocá-lo em qualquer lugar perto dos limites superiores.
Exemplo:
Motorista de portão lateral de 200 nS:
A fonte deste circuito não é certa - acho que é membro do PICList. Pode verificar se alguém se importa. Observe que este circuito é consideravelmente mais "inteligente" do que pode ser aparente. (Olin gosta do arranjo de entradas usado aqui). A oscilação de ~ = 3V em R14 causa uma oscilação de cerca de 15V em torno de R15, de modo que as bases Q14 / Q15 oscilam de + 30V a cerca de + 15V, fornecendo ~ 15V se o portão lateral alto conduzir ao MOSFET do canal P.
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Verifique a folha de dados. Para este MOSFET, eles especificam uma porta para a fonte de corrente de fuga de no máximo 100nA. Se você estiver dirigindo o FET de um opamp, por exemplo, provavelmente poderá ignorar isso. Se você estiver usando alguma tensão estática com uma carga muito baixa, a 100nA pode ser demais. Tudo depende da sua aplicação, mas na maioria dos casos essa corrente estática será desprezível. Ligar e desligar fará com que um pico de corrente muito maior carregue e descarregue a capacitância da porta.
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Situação hipotética: digamos que você queira implementar instrumentação / detecção de tensões geradas por cargas muito pequenas. (Cargas que podem ser drenadas mesmo por uma pequena corrente através de uma impedância muito alta.)
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Aqui estão algumas formas de onda que indicam algumas das naturezas transitórias de um grande MOSFET. A corrente do portão fica alta durante a comutação e pode ter causado uma queda na tensão de acionamento do portão aqui. (linha preta)
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Eu acho que essa generalização vem da comparação de um MOSFET com um BJT em termos de uma aplicação de amplificação idealizada.
"Um BJT é um dispositivo controlado por corrente (corrente do coletor de controle de corrente base, tensão de base presa a uma queda direta PN) enquanto um MOSFET é um dispositivo de transcondutância (a corrente de base é insignificante, a tensão de base controla a corrente do coletor)", como o professor diz .
Quando você está falando de amplificadores de "estado estacionário" (sem comutação forçada ou grandes oscilações na polarização), a suposição de 'corrente de base zero' é verdadeira o suficiente para permitir que você faça um trabalho significativo.
Quando você introduz um chaveamento rígido de alta frequência, como outros salientaram, as capacitâncias inerentes do MOSFET dominam o comportamento (ou seja, a corrente de base consumida é uma função de carregar e descarregar a capacitância do gate), de modo que a suposição de 'corrente zero' é invalidada.
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