MOSFET 턴온 프로세스 이해

올바르게 계산 된 MOSFET 턴온 프로세스를 통해 장치가 최적의 효율로 스위치를 켤 수 있습니다.

MOSFET 기반 회로를 설계하는 동안 MOSFET을 켜는 올바른 방법이 무엇인지 궁금했을 것입니다. 아니면 단순히 장치의 게이트 / 소스에 적용해야하는 최소 전압은 무엇입니까?

많은 디지털 시스템에서 이것은 문제가되지 않을 수 있지만 DSP, FPGA 및 Arduinos와 같은 5V 시스템에는 그들의 출력 향상 연결된 MOSFET에 대한 최적의 스위칭 조건을 위해.

그리고 이러한 상황에서 설계자는 임계 전압 데이터를 얻기 위해 MOSFET의 사양을 살펴보기 시작합니다. 설계자는이 임계 값 레벨을 넘으면 MOSFET이 켜지고 상태가 변경된다고 가정합니다.

그러나 이것은 보이는 것처럼 간단하지 않을 수 있습니다.

임계 전압 V 란?_{GS (일)}

우선 우리는 V로 표시되는 문턱 전압이_{GS (일)}회로 설계자가 걱정할 필요가 없습니다.

정확히 말하면 MOSFET의 드레인 전류가 250μA의 임계 값 레벨을 넘게 만드는 것은 게이트 전압이며, 이는 실제 애플리케이션에서 일반적으로 발생하지 않을 수있는 조건에서 테스트됩니다.

특정 분석 중에는 위에서 언급 한 장치 테스트에 일정한 5V가 사용됩니다. 그러나이 테스트는 일반적으로 장치의 게이트와 드레인이 서로 연결되거나 단락 된 상태에서 실행됩니다. 데이터 시트 자체에서이 정보를 쉽게 얻을 수 있으므로이 테스트에 대해 신비한 것은 없습니다.

위의 표는 예시 MOSFET에 대한 임계 값 레벨 및 관련 테스트 조건을 나타냅니다.

원하는 애플리케이션의 경우 설계자는 '유도 된'게이트 전압으로 알려진 무서운 상황에 대해 걱정할 수 있습니다. 이는 예를 들어 다음과 같은 로우 사이드 MOSFET에서 심각한 문제가 될 수 있습니다. 동기식 벅 컨버터 .

앞서 논의했듯이 여기서도 임계 값 V를 초과하는 것을 이해해야합니다._{GS (일)}레벨은 장치가 슛 스루 고장 상태로 실행되도록 강제하지 않을 수 있습니다. 이 레벨은 실제로 MOSFET이 켜지 기 시작하는 임계 값에 대해 설계자에게 알려주며 모든 것이 완전히 끝나는 상황이 아닙니다.

MOSFET이 OFF 상태에있는 동안 게이트 전압은 V 미만으로 유지되는 것이 좋습니다._{GS (일)}레벨, 전류 누출을 방지합니다. 그러나 켜는 동안이 매개 변수는 무시 될 수 있습니다.

전달 특성 곡선

이름이 다른 곡선 다이어그램을 찾을 수 있습니다. 전송 특성 증가하는 게이트 전압에 대한 턴온 동작을 설명하는 MOSFET 데이터 시트

정확히 말하면 이는 게이트 전압 및 장치 케이스 온도에 대한 전류 변동 분석과 더 관련이있을 수 있습니다. 이 분석에서 V_DS고정 된 레벨이지만 15V 정도의 높은 레벨로 유지되며 이는 데이터 시트 사양에 나와 있지 않을 수 있습니다.

위의 곡선을 참조하면 20Amp 드레인 전류의 경우 3.2V 게이트-소스 전압이 적절하지 않을 수 있음을 알 수 있습니다.

이 조합은 일반적으로 200 와트의 손실과 함께 10V의 VDS를 생성합니다.

전송 곡선 데이터는 선형 범위에서 작동하는 MOSFET에 유용 할 수 있지만 곡선 데이터는 스위칭 애플리케이션에서 MOSFET에 대해 덜 중요 할 수 있습니다.

출력 특성

MOSFET의 완전 ON 상태에 관한 실제 데이터를 나타내는 곡선을 아래와 같이 출력 곡선이라고합니다.

여기에서 다양한 레벨의 V_GSMOSFET의 순방향 강하는 전류의 함수로 측정됩니다. 장치 엔지니어는이 곡선 데이터를 사용하여 게이트 전압의 최적 수준을 확인합니다.

MOSFET의 전체 스위치 ON을 보장하는 각 레벨의 게이트 전압 [R_{DS (켜짐)}], 전압 강하 범위 (V_GS) 드레인 전류로 엄격하게 선형 응답하는 드레인-소스 간. 범위는 0부터 시작합니다.

낮은 게이트 전압 (V_GS), 드레인 전류가 증가하면 곡선이 선형 응답을 잃고 '무릎'을 통해 이동 한 다음 평평 해집니다.

위의 곡선 세부 정보는 2.5V ~ 3.6V 범위의 게이트 전압에 대한 완전한 출력 특성을 제공합니다.

MOSFET 사용자는 일반적으로 이것을 선형 함수로 생각할 수 있습니다. 그러나 반대로 장치 엔지니어는 적용된 게이트 전압에 대한 전류 포화 영역을 나타내는 그래프의 회색 영역에 더 많은주의를 기울이는 것을 선호 할 수 있습니다.

포화 점 또는 포화 한계에 도달 한 현재 데이터를 표시합니다. 이 시점에서 V가_DS증가하면 전류가 약간 증가하지만 드레인 전류의 작은 증가는 훨씬 더 큰 V로 이어질 수 있습니다._DS.

MOSFET이 완전히 켜질 수있는 증가 된 게이트 전압 레벨의 경우 녹색 음영 영역은 저항성 (또는 옴) 영역으로 표시된 프로세스의 작동 지점을 보여줍니다.

여기의 곡선은 일반적인 값만 표시하며 최소 또는 최대 경계는 포함하지 않습니다.

더 낮은 주변 온도에서 작동하는 동안 디바이스는 저항 영역에 머무르기 위해 더 높은 게이트 전압이 필요하며, 이는 0.3 % / ° C의 속도로 상승 할 수 있습니다.

MOSFET RDS (on)이란?

디바이스 엔지니어가 MOSFET의 출력 특성을 만나야 할 때 본질적으로 R에 대해 배우고 싶을 것입니다._{DS (켜짐)}특정 작동 조건을 참조하여 장치의.

일반적으로 이것은 V의 혼합 일 수 있습니다._GS그리고 나_DS곡선이 직선에서 회색 음영으로 표시된 부분으로 이탈 한 영역을 가로 질러.

위에서 논의한 예, 3.1V의 게이트 전압과 10A의 초기 전류를 고려하면 엔지니어는 R_{DS (켜짐)}예상 값보다 큰 경향이 있습니다. 이렇게 말했듯이 MOSFET 제조업체가 이에 대한 대략적인 데이터를 제공 할 것으로 예상합니까?

양 V 모두_DS그리고 나_DS곡선에서 쉽게 얻을 수 있으므로 결과 R에서 두 양을 나누기에는 너무 매력적일 수 있으며 종종 항복됩니다._{DS (켜짐)}.

그러나 슬프게도 우리는 R이 없습니다_{DS (켜짐)}여기 평가를 위해. 의 모든 섹션에 대해 언급 된 상황에서는 사용할 수없는 것 같습니다. 로드 라인 저항을 나타내는 것은 선형 방식으로 원점을 통과해야합니다.

즉, 비선형 저항과 같이 집계 된 형태로 부하 라인을 시뮬레이션 할 수 있습니다.

최소한 이것은 실제 작업에 대한 이해가 원점 (0, 0)에서 유지된다는 것을 보장합니다.

게이트 전하 곡선 특성

아래 그림과 같이 MOSFET의 턴온 사양에 대한 실제 힌트를 실제로 제공하는 것은 게이트 충전 곡선 데이터입니다. :

위의 곡선은 모든 MOSFET 데이터 시트의 표준 포함이지만 MOSFET 사용자가 기본 표시를 거의 이해하지 못합니다.

또한 트렌치 및 차폐 게이트와 같은 MOSFET 레이아웃의 현대적 발전으로 인해 데이터 주소 지정이 수정되어야합니다.

예를 들어 '게이트 요금'이라는 사양은 그 자체로 약간 오해의 소지가있는 것처럼 보일 수 있습니다.

곡선의 선형 및 분할 된 부분은 얼마나 많은 비선형 값을 나타낼 수 있는지에 관계없이 커패시터를 충전하는 전압처럼 보이지 않습니다.

정확히 말하면, 게이트 전하 곡선은 크기가 다르고 전압 레벨이 다른 두 개의 비 병렬 커패시터의 관련 데이터를 나타냅니다.

이론적으로 MOSFET 게이트 단자에서 볼 수있는 기능 정전 용량은 다음 방정식으로 정의됩니다.

씨_iss= C_GS+ C_gd

여기서 C_iss= 게이트 커패시턴스, C_GS= 게이트 소스 커패시턴스, C_gd= 게이트 드레인 커패시턴스

이 단위를 측정하고 데이터 시트에 지정하는 것이 다소 간단 해 보일 수 있지만 C라는 용어에 유의해야합니다._iss실제로 실제 커패시턴스가 아닙니다.

'게이트 커패시턴스 C'에인가 된 전압만으로 MOSFET이 ON이라고 생각하는 것은 완전히 틀릴 수_iss'.

위의 그림에서 알 수 있듯이 MOFET가 켜지 기 직전에 게이트 커패시턴스는 전하가 없지만 게이트 드레인 C의 커패시턴스는_gd제거해야하는 음전하를 가지고 있습니다.

이 두 커패시턴스는 비선형 특성을 가지며 적용된 전압이 변함에 따라 값이 크게 달라집니다.

따라서 특정 전압 레벨에 대한 커패시턴스 값이 아니라 스위칭 특성을 결정하는 것은 MOSFET의 저장된 전하라는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

C를 구성하는 두 개의 커패시턴스 요소_iss물리적 특성이 다르기 때문에 서로 다른 전압 레벨로 충전되는 경향이 있으므로 MOSFET의 턴온 프로세스도 두 단계를 거쳐야합니다.

정확한 순서는 저항성 및 유도 성 응용 분야에 따라 다를 수 있지만 일반적으로 대부분의 실제 부하는 유도 성이 높으며 다음 그림과 같이 프로세스를 시뮬레이션 할 수 있습니다.

게이트 충전 타이밍 순서

MOSFET의 게이트 충전 타이밍 시퀀스는 아래 다이어그램에서 연구 할 수 있습니다.

다음 설명으로 이해할 수 있습니다.

1. T0-T1 : 기음_GS0에서 V까지 충전_{GS (일)}... V_DS또는 나_DS어떤 변경도 거치지 않습니다.
2. T1-T2, V에서 게이트 전압이 증가함에 따라 MOSFET에서 전류가 상승하기 시작합니다._{GS (일)}고원 전압 V까지_gp.
3. 여기서 IDS는 증가하고 0V에서 최대 부하 전류에 도달하지만 V_DS영향을받지 않고 일정하게 유지됩니다. 관련 전하는 C의 적분을 통해 형성됩니다._GS0V에서 V까지_gp, 및 Q_GS데이터 시트에 나와 있습니다.
4. T2-T3 : T2와 T3 사이의 평평한 영역을 관찰합니다. 밀러 고원이라고합니다.
5. 스위치를 켜기 전에 C_gd공급 전압 V까지 충전 및 유지_에, 내가 ~ 할 때까지_DST2에서 피크 값 I (부하)에 도달합니다.
6. 기간 T2와 T3 사이의 시간, 음전하 (V_에- V_gp) 고원 전압 V에 대해 양전하로 변환됩니다._gp.
7. 이것은 V에서 드레인 전압이 떨어지는 것으로 시각화 할 수도 있습니다._에거의 0에 가깝습니다.
8. 관련된 요금은 C 주변과 같습니다_gd0에서 V까지 적분_에, Q로 표시됩니다._gd데이터 시트에서.
9. T3-T4 동안 게이트 전압은 V에서 상승합니다._gpV로_GS, 그리고 여기서 우리는 V에 대한 변화가 거의 없습니다._DS그리고 나_DS, 그러나 효과적인 R_{DS (켜짐)}게이트 전압이 상승하면 약간 떨어집니다. V 이상의 전압 레벨에서_gp, 제조업체에게 유효 R에 대한 상한을 수정할 수있는 충분한 신뢰를 제공합니다._{DS (켜짐)}.

유도 부하 용

유도 성 부하로 인한 MOSFET 채널의 전류 상승은 전압이 떨어지기 시작하기 전에 완료되어야합니다.

안정기가 시작될 때 MOSFET은 드레인에서 소스까지 높은 전류와 전압이 존재하는 상태에서 OFF 상태에 있습니다.

시간 T2와 T3 사이에 충전 Q_gdMOSFET의 게이트에 적용되며, MOSFET 특성은 마지막에 정전류에서 정 저항 모드로 변환됩니다.

위의 전환이 발생하면 게이트 전압 V에 눈에 띄는 변화가 없습니다._gp일어난다.

이것이 MOSFET 턴온 프로세스를 특정 레벨의 게이트 전압과 관련시키는 것이 결코 현명한 생각이 아닌 이유입니다.

스위치 OFF 프로세스의 경우에도 마찬가지 일 수 있으며,이 경우 동일한 두 전하 (앞에서 논의 됨)가 MOSFET의 게이트에서 반대 순서로 제거되어야합니다.

MOSFET 스위칭 속도

동안 Q_GS플러스 Q_gd함께 MOSFET이 완전히 켜지도록 보장하지만 이것이 얼마나 빨리 발생하는지 알려주지 않습니다.

전류 또는 전압이 얼마나 빨리 전환되는지는 게이트의 전하 요소가 적용되거나 제거되는 속도에 따라 결정됩니다. 이것은 게이트 구동 전류라고도합니다.

빠른 상승 및 하강 속도는 MOSFET에서 낮은 스위칭 손실을 보장하지만, 특히 유도 성 부하가 꺼지는 순간에 피크 전압, 발진 및 전자기 간섭 증가와 관련된 시스템 수준의 복잡성을 유발할 수 있습니다.

위의 그림 7에 표시된 선형 하강 전압은 실제 응용 분야에서 MOSFET에 거의 발생하지 않을 수있는 일정한 Cgd 값을 취합니다.

정확히 말하면 게이트 드레인 전하 C_gdSiHF35N60E와 같은 고전압 슈퍼 접합 MOSFET의 경우 다음 그림에서 볼 수 있듯이 상당히 높은 선형 응답을 나타냅니다.

C 값에 존재하는 변동 범위_rss(역 전송)은 초기 100V 내에서 200 : 1 이상입니다. 이로 인해 게이트 전하 곡선에 대한 전압의 실제 하강 시간은 그림 7에서 빨간색으로 표시된 점선처럼 보입니다.

더 높은 전압에서 전하의 상승 및 하강 시간과 동등한 dV / dt 값은 C 값에 더 의존합니다._rss, Q로 표시된 전체 곡선의 적분 대신_gd.

사용자가 서로 다른 설계 환경에서 MOSFET 사양을 비교하고자 할 때 Q가 절반 인 MOSFET을 인식해야합니다._gd값이 반드시 2 배 빠른 스위칭 속도 또는 50 % 적은 스위칭 손실을 특징으로하는 것은 아닙니다.

이것은 C에 따르면_gd더 높은 전압에서 곡선과 그 크기를 고려하면 MOSFET이 데이터 시트에서 낮은 Qgd를 가질 수 있지만 스위칭 속도는 증가하지 않습니다.

요약

실제 구현에서 MOSFET의 켜기는 미리 결정된 매개 변수가 아닌 일련의 프로세스를 통해 발생합니다.

회로 설계자는 V_{GS (일)}또는 MOSFET 출력을 높은 R에서 낮은 R로 전환하기위한 게이트 전압으로 전압 레벨을 사용할 수 있습니다._{DS (켜짐)}.

R을 갖는 것에 대해 생각하는 것은 무익 할 수 있습니다._{DS (켜짐)}특정 게이트 전압 레벨 이하 또는 이상. 게이트 전압 레벨이 본질적으로 MOSFET의 턴온을 결정하지 않기 때문입니다. 차라리 요금 Q_GS그리고 Q_gd작업을 실행하는 MOSFET에 도입되었습니다.

V 이상으로 상승하는 게이트 전압을 찾을 수 있습니다._{GS (일)}그리고 V_gp충전 / 방전 과정 중이지만 이것들은 그렇게 중요하지 않습니다.

마찬가지로 오늘날 MOSFET이 얼마나 빨리 켜지거나 꺼지는지는 Q의 복잡한 함수일 수 있습니다._GS또는 Q_gd.

MOSFET 스위칭 속도, 특히 고급 MOSFET을 평가하려면 설계자는 게이트 전하 곡선 및 디바이스의 커패시턴스 특성에 대한 포괄적 인 연구를 거쳐야합니다.

참고: https://www.vishay.com/