Gate-Kapazität vs. Gate-Ladung in n-Kanal-FETs und Berechnung der Verlustleistung beim Laden/Entladen des Gates

Wie Endolith sagt, müssen Sie sich die Bedingungen für Parameter ansehen. die 30nC sind ein maximalwert für$V_{GS}$= 10V. Das Diagramm auf Seite 3 des Datenblatts sagt normalerweise 10 nC bei 5 V, dann C =$\frac{10nC}{5V}$= 2nF. Eine weitere Grafik, ebenfalls auf Seite 3, gibt einen Wert von 1 nF für an$C_{ISS}$. Die Diskrepanz liegt daran, dass die Kapazität nicht konstant ist (deshalb geben sie einen Ladungswert an).

Der Gate-Widerstand wird tatsächlich einen Einfluss haben. Die Zeitkonstante des Gates ist (9$\Omega$+ 3.6$\Omega$)$\times$2nF = 25ns, statt 9$\Omega \times$2nF = 18ns.

Theoretisch wird es einen kleinen Unterschied zwischen Ein- und Ausschalten geben, denn beim Ausschalten geht man von einer höheren Temperatur aus. Aber wenn die Zeit zwischen Ein und Aus klein ist (viel Spielraum hier, wir sprechen von einigen zehn Sekunden), ist die Temperatur konstant und die Charakteristik wird mehr oder weniger symmetrisch sein.

Zu deiner Nebenfrage. Dies wird normalerweise nicht in Datenblättern angegeben, da der Strom davon abhängt$V_{GS}$,$V_{DS}$und Temperatur, und 4-dimensionale Diagramme funktionieren in zwei Dimensionen nicht gut. Die einzige Lösung ist, es zu messen. Eine Möglichkeit ist das Aufzeichnen$I_D$und$V_{DS}$Diagramme zwischen Aus und Ein und, multipliziere beides und integriere. Dieser Übergang erfolgt normalerweise schnell, sodass Sie wahrscheinlich nur über wenige Punkte messen können, aber das sollte Ihnen eine gute Annäherung geben. Wenn Sie den Übergang langsamer durchführen, erhalten Sie mehr Punkte, aber die Temperatur ist anders, und daher ist das Ergebnis ungenauer.

Unter Bezugnahme auf diese Fairchild-App-Notiz zum MOSFET-Schalten , diese Infineon-Notiz zur Leistungszahl , diese IR-Notiz und meine eigene Erfahrung:

$Q_g$quantifiziert die gesamte Gate-Ladung, die aus einigen konzentrierten Elementen besteht:

• $Q_{gs}$(Tor zur Quelle)
• $Q_{gd}$(Gate-to-Drain)

Um zu berechnen, wie viel Leistung beim Einschalten des MOSFET verbraucht wird, können Sie die Q = CV-Beziehung verwenden, um die effektive Gate-Kapazität herauszufinden. Oft gibt der Hersteller diese Zahl auch als aus$C_{iss}$.

Der IR-Hinweis fasst den Schaltverlust recht gut zusammen. Während der$Q_{gs}$Intervall beginnt der MOSFET zu leiten ($I_D$Rampen hoch und$V_{DS}$bleibt hoch). Während der$Q_{gd}$Intervall wird der MOSFET gesättigt ($V_{DS}$Stürze). Der beste Weg, den Verlust zu sehen, ist, wie bereits vorgeschlagen, das Messen$V_{DS}$und$I_D$. Dieser EETimes-Artikel beschreibt, wie der Schaltverlust für eine Vielzahl von Bedingungen mathematisch berechnet wird, auf die ich hier nicht näher eingehen werde.

Der MOSFET-Gate-Widerstand wird mit dem externen Widerstand addiert, den Sie zur Bestimmung des Ladestroms benötigen. Da Sie in Ihrem Fall nur auf 5 V aufladen, werden Sie die Stromkapazität Ihres Treibers nicht maximieren.

Das Entladen des Gates ist relativ identisch mit dem Laden, insofern die Schwellen dieselben bleiben. Wenn der Einschaltschwellenwert 4 V beträgt und Sie auf 5 V aufladen, können Sie sich vorstellen, dass die Einschaltzeit gegenüber der Ausschaltzeit eine kleine Asymmetrie aufweist, da Sie nur 1 V entladen, um ausgeschaltet zu werden vs. 4 V zum Einschalten.

Wie bereits erwähnt, sind in MOSFET-Treiberschaltungen häufig Netzwerke aus Widerständen und Dioden zu sehen, um die Ein- und Ausschaltladeströme maßzuschneidern.

Die Spezifikation im Datenblatt sagt V _GS = 10 V, also nein. Es wäre C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Aber das ist ein absolutes Maximum.

Anstelle eines einzelnen Kapazitätswerts geben sie die Kapazität als Diagramm auf Seite 3 an. Die Bedeutung von c _iss c _rss und c _oss ist in diesem Dokument in Abbildung 5 angegeben. Ich denke, Sie interessieren sich am meisten für c _iss , das etwa 900 pF beträgt laut Diagramm.

Verlustleistung beim Ein- und Ausschalten

Sie könnten denken, dass der Transistor, der während dieser Übergänge heißer wird, etwas mit den internen Spannungen und Strömen und Kapazitäten des Transistors zu tun hat.

In der Praxis sind die internen Details des Schalters irrelevant, solange Sie einen Schalter schnell genug ein- oder ausschalten. Wenn Sie den Schalter vollständig aus dem Stromkreis ziehen, haben die anderen Dinge im Stromkreis zwangsläufig eine gewisse parasitäre Kapazität C zwischen den beiden Knoten, die der Schalter ein- und ausschaltet. Wenn Sie bei ausgeschaltetem Schalter einen beliebigen Schalter in diesen Stromkreis einfügen, lädt sich diese Kapazität auf eine Spannung V auf und speichert CV ^ 2/2 Watt Energie.

Egal um welche Art von Schalter es sich handelt, wenn Sie den Schalter einschalten, werden alle CV^2/2 Watt Energie in diesem Schalter verbraucht. (Wenn es wirklich langsam schaltet, wird vielleicht noch mehr Energie in diesem Schalter verbraucht).

Um die Energie zu berechnen, die in Ihrem Mosfet-Schalter verbraucht wird, finden Sie die gesamte externe Kapazität C, an die er angeschlossen ist (wahrscheinlich größtenteils parasitär), und die Spannung V, auf die sich die Anschlüsse des Schalters aufladen, kurz bevor der Schalter eingeschaltet wird. Die Energie, die in jeder Art von Schalter verbraucht wird, ist

• E_turn_on = CV/2

bei jedem Einschalten.

Die Energie, die in den Widerständen verbraucht wird, die das Gate Ihres FET ansteuern, ist

• E_gate = Q_g V

wo

• V = der Gate-Spannungshub (aus Ihrer Beschreibung sind es 5 V)
• Q_g = die Ladungsmenge, die Sie durch den Gate-Pin drücken, um den Transistor ein- oder auszuschalten (aus dem FET-Datenblatt sind es ungefähr 10 nC bei 5 V)

Dieselbe E_gate-Energie wird während des Einschaltens und erneut während des Ausschaltens dissipiert.

Ein Teil dieser E_gate-Energie wird im Transistor und ein Teil davon im FET-Treiberchip abgeführt - ich verwende normalerweise eine pessimistische Analyse, die davon ausgeht, dass die gesamte Energie im Transistor und auch die gesamte Energie abgeführt wird im FET-Treiber.

Wenn sich Ihr Schalter ausreichend schnell ausschaltet, ist die beim Ausschalten verbrauchte Energie im Vergleich zur beim Einschalten verbrauchten Energie normalerweise unbedeutend. Sie könnten eine Worst-Case-Grenze (für hochinduktive Lasten) von setzen

• E_turn_off = IVt (schlechtester Fall)

wo

• I ist der Strom durch den Schalter kurz vor dem Ausschalten,
• V ist die Spannung über dem Schalter direkt nach dem Ausschalten, und
• t ist die Schaltzeit von ein nach aus.

Dann ist die im Fet abgeführte Leistung

• P = P_schalten + P_ein

wo

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * Schaltfrequenz
• Schaltfrequenz ist die Anzahl von Malen pro Sekunde, mit denen Sie den Schalter aus- und wieder einschalten
• P_on = IRd = die Verlustleistung, während der Schalter eingeschaltet ist
• I ist der durchschnittliche Strom, wenn der Schalter eingeschaltet ist,
• R der Einschaltwiderstand des FET ist und
• d ist der Bruchteil der Zeit, in der der Schalter eingeschaltet ist (verwenden Sie d = 0,999 für Worst-Case-Schätzungen).

Viele H-Brücken nutzen die (normalerweise unerwünschte) Body-Diode als Rücklaufdiode, um den induktiven Rücklaufstrom abzufangen. Wenn Sie dies tun (anstatt externe Schottky-Fangdioden zu verwenden), müssen Sie auch die in dieser Diode verbrauchte Leistung hinzufügen.