Memahami Proses Pengaktifan MOSFET

Proses penyalaan MOSFET yang dihitung dengan benar memastikan perangkat AKTIF dengan efisiensi optimal.

Saat merancang sirkuit berbasis MOSFET, Anda mungkin bertanya-tanya apa cara yang benar untuk MENGAKTIFKAN MOSFET? Atau berapa tegangan minimum yang harus diterapkan melintasi gerbang / sumber perangkat untuk menyalakannya dengan sempurna?

Meskipun untuk banyak sistem digital ini mungkin bukan masalah, sistem 5V seperti DSP, FPGA, dan Arduino memerlukan meningkatkan output mereka untuk kondisi pengalihan yang optimal untuk MOSFET yang terhubung.

Dan dalam situasi ini perancang mulai melihat spesifikasi MOSFET untuk mendapatkan data tegangan ambang. Perancang berasumsi bahwa MOSFET akan ON dan mengubah status saat level ambang batas ini dilintasi.

Namun ini mungkin tidak sesederhana kelihatannya.

Apa itu Threshold Voltage V_{GS (th)}

Pertama-tama kita harus menyadari bahwa tegangan ambang, dilambangkan sebagai V._{GS (th)}bukan untuk dikhawatirkan oleh desainer sirkuit.

Tepatnya, tegangan gerbang yang menyebabkan arus drain MOSFET melewati level ambang 250 μA, dan ini diuji dalam kondisi yang biasanya tidak pernah terjadi dalam aplikasi praktis.

Selama analisis tertentu, 5V konstan digunakan untuk pengujian perangkat yang disebutkan di atas. Tetapi tes ini biasanya diimplementasikan dengan gerbang dan saluran pembuangan perangkat terhubung atau disingkat satu sama lain. Anda dapat dengan mudah mendapatkan informasi ini di lembar data itu sendiri, jadi tidak ada yang misterius tentang pengujian ini.

Tabel di atas menunjukkan level ambang batas dan kondisi pengujian yang relevan untuk contoh MOSFET.

Untuk aplikasi yang diinginkan, perancang mungkin khawatir tentang situasi menakutkan yang dikenal sebagai tegangan gerbang 'induksi', yang mungkin menjadi masalah serius misalnya di MOSFET sisi rendah konverter uang sinkron .

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, di sini juga kita harus memahami bahwa melewati ambang V_{GS (th)}level tidak dapat memaksa perangkat untuk mengalami kondisi kerusakan tembak-menembak. Tingkat ini sebenarnya memberi tahu perancang mengenai ambang di mana MOSFET baru saja mulai ON dan bukan situasi di mana semuanya berakhir begitu saja.

Sebaiknya saat MOSFET dalam kondisi dimatikan, tegangan gerbang dipertahankan di bawah V._{GS (th)}level, untuk mencegah kebocoran arus. Tetapi saat mengaktifkannya, parameter ini dapat diabaikan begitu saja.

Kurva Karakteristik Transfer

Anda akan menemukan diagram kurva lain bernama karakteristik transfer dalam lembar data MOSFET menjelaskan perilaku menghidupkannya sebagai respons terhadap peningkatan tegangan gerbang.

Tepatnya ini mungkin lebih terkait dengan analisis variasi arus sehubungan dengan tegangan gerbang dan suhu kasus perangkat. Dalam analisis ini V_DSdiadakan pada level tetap tetapi level tinggi, sekitar 15V, yang mungkin tidak terungkap dalam spesifikasi lembar data.

Jika kita mengacu pada kurva seperti yang ditunjukkan di atas, kita menyadari bahwa untuk arus drain 20 Amp, tegangan gerbang-ke-sumber 3,2 V mungkin tidak memadai.

Kombinasi tersebut akan menghasilkan VDS 10 V biasanya dengan disipasi 200 watt.

Data kurva transfer dapat berguna untuk MOSFET yang dioperasikan dalam rentang linier, namun data kurva mungkin kurang signifikan untuk MOSFET dalam aplikasi switching.

Karakteristik Keluaran

Kurva yang mengungkapkan data aktual mengenai kondisi ON penuh dari sebuah MOSFET dikenal sebagai kurva keluaran seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Di sini, untuk berbagai level V_GSpenurunan MOSFET ke depan diukur sebagai fungsi arus. Insinyur perangkat menggunakan data kurva ini untuk mengonfirmasi tingkat tegangan gerbang yang optimal.

Untuk setiap level tegangan gerbang yang memastikan sakelar ON penuh dari MOSFET [R_{DS (aktif)}], kami mendapatkan rentang penurunan tegangan (V_GS) melintasi drain-to-source yang memiliki respon linier ketat dengan arus drain. Rentangnya dimulai dari nol dan ke atas.

Untuk tegangan gerbang bawah (V._GS), ketika arus drain ditingkatkan, kami menemukan kurva kehilangan respons linier, bergerak melalui 'lutut' dan kemudian menjadi datar.

Rincian kurva di atas memberi kita karakteristik keluaran lengkap untuk berbagai tegangan gerbang dari 2,5 V hingga 3,6 V.

Pengguna MOSFET biasanya menganggap ini sebagai fungsi linier. Namun, sebaliknya, insinyur perangkat mungkin lebih memilih untuk lebih memperhatikan wilayah abu-abu dari grafik yang menunjukkan wilayah saturasi saat ini untuk tegangan gerbang yang diterapkan.

Ini mengungkapkan data saat ini yang telah menyentuh titik jenuh atau batas saturasi. Pada titik ini, jika V_DSdinaikkan akan mengakibatkan peningkatan marjinal pada arus, tetapi sedikit peningkatan arus drain dapat menyebabkan V yang jauh lebih besar_DS.

Untuk peningkatan level tegangan gerbang, yang memungkinkan MOSFET menyala sepenuhnya, area berbayang hijau akan menunjukkan kepada kita titik operasi untuk proses tersebut, yang diindikasikan sebagai wilayah resistif (atau Ohmic).

Harap dicatat bahwa kurva di sini hanya menunjukkan nilai-nilai umum, dan tidak termasuk batas minimum atau maksimum.

Saat beroperasi pada suhu lingkungan yang lebih rendah, perangkat akan membutuhkan tegangan gerbang yang lebih tinggi untuk tetap berada di wilayah resistif, yang mungkin naik pada laju 0,3% / ° C.

Apa itu MOSFET RDS (aktif)

Ketika insinyur perangkat harus menghadapi karakteristik keluaran MOSFET, mereka pada dasarnya ingin belajar tentang R_{DS (aktif)}perangkat dengan mengacu pada kondisi operasi tertentu.

Umumnya, ini bisa berupa campuran dari V_GSdan saya_DSmelintasi area di mana kurva telah menyimpang dari garis lurus ke bagian yang ditunjukkan oleh bayangan abu-abu.

Mempertimbangkan contoh yang dibahas di atas, tegangan gerbang 3,1 V dengan arus awal 10 Amps, para insinyur akan tahu bahwa R_{DS (aktif)}akan cenderung lebih besar dari nilai perkiraan. Karena itu, apakah kami berharap pabrikan MOSFET memberikan perkiraan data mengenai hal ini?

Dengan kedua besaran tersebut V_DSdan saya_DSmudah diperoleh dalam kurva itu mungkin menjadi terlalu menarik, dan sering menyerah, untuk membagi dua kuantitas pada resultan R_{DS (aktif)}.

Namun, sayangnya kami tidak memiliki R_{DS (aktif)}untuk penilaiannya di sini. Tampaknya tidak tersedia untuk situasi yang disebutkan karena untuk bagian mana pun dari garis beban merepresentasikan resistansi harus melintasi titik asal secara linier.

Yang mengatakan, dimungkinkan untuk mensimulasikan garis beban dalam bentuk agregat seperti resistansi non-linier.

Minimal, ini akan menjamin bahwa pemahaman apa pun tentang kerja praktis dipertahankan sejak awal (0, 0).

Karakteristik Kurva Pengisian Gerbang

Ini adalah data kurva muatan gerbang yang benar-benar memberi kita petunjuk nyata mengenai spesifikasi menghidupkan MOSFET seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. :

Meskipun kurva di atas adalah inklusi standar di semua lembar data MOSFET, indikasi yang mendasarinya jarang dipahami oleh pengguna MOSFET.

Selain itu, kemajuan modern dalam tata letak MOSFET, seperti parit dan gerbang berpelindung, memerlukan pengalamatan data yang direvisi.

Misalnya, spesifikasi bernama 'gate-charge' mungkin tampak sedikit menyesatkan dengan sendirinya.

Bagian kurva linear dan terbagi tidak tampak seperti tegangan yang mengisi kapasitor, terlepas dari berapa banyak nilai non-linear yang mungkin ditunjukkannya.

Tepatnya, kurva muatan gerbang menandakan data terkait dari dua kapasitor non paralel, memiliki besaran yang berbeda dan membawa tingkat tegangan yang berbeda.

Secara teori, kapasitansi fungsional seperti yang disaksikan dari terminal gerbang MOSFET didefinisikan dengan persamaan:

C_iss= C_gs+ C_gd

dimana C_iss= kapasitansi gerbang, C_gs= kapasitansi sumber gerbang, C_gd= kapasitansi gate drain

Meskipun mungkin tampak agak sederhana untuk mengukur unit ini dan menentukannya dalam lembar data, perlu dicatat bahwa istilah C_isssebenarnya bukan kapasitansi nyata.

Mungkin sepenuhnya salah untuk berpikir bahwa MOSFET DIAKTIFKAN hanya melalui tegangan yang diterapkan pada 'gerbang kapasitansi C_iss'.

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di atas, tepat sebelum MOFET ON, kapasitansi gerbang tidak memiliki muatan, tetapi kapasitansi di gate-drain C_gdmemiliki muatan negatif yang perlu dihilangkan.

Kedua kapasitansi ini memiliki sifat non-linier dan nilainya sangat bervariasi karena tegangan yang diterapkan bervariasi.

Oleh karena itu, penting untuk dicatat bahwa muatan MOSFET yang disimpanlah yang menentukan karakteristik sakelar, dan bukan nilai kapasitansi untuk level tegangan tertentu.

Karena kedua elemen kapasitansi tersebut merupakan C_issmemiliki atribut fisik yang berbeda, mereka cenderung diisi dengan level tegangan yang berbeda, membutuhkan proses penyalaan MOSFET juga melalui dua tahap.

Urutan yang tepat mungkin berbeda untuk aplikasi resistif dan induktif, tetapi biasanya sebagian besar beban praktis menjadi sangat induktif, prosesnya dapat disimulasikan seperti yang digambarkan pada gambar berikut:

Urutan Waktu Pengisian Gerbang

Urutan waktu muatan gerbang MOSFET dapat dipelajari dari diagram di bawah ini:

Hal tersebut dapat dipahami dengan penjelasan berikut:

1. T0 - T1: C_gsbiaya dari nol sampai V._{GS (th)}... V._DSatau saya_DStidak mengalami perubahan apa pun.
2. T1-T2, arus mulai naik di MOSFET sebagai respons terhadap peningkatan tegangan gerbang dari V._{GS (th)}hingga tegangan dataran tinggi V_gp.
3. Di sini, IDS meningkat dan mencapai arus beban penuh dari 0 V, meskipun V._DStetap tidak terpengaruh dan konstan. Muatan terkait dibentuk melalui integral C_gsdari 0 V ke V._gp, dan Q_gsdiberikan dalam lembar data.
4. T2 - T3: Amati bidang datar antara T2 dan T3, itu disebut dataran tinggi Miller.
5. Sebelum tombol ON, C_gdmengisi daya dan menahan tegangan suplai V_DI, sampai saya_DSmencapai nilai puncak I (beban) di T2.
6. Waktu antara periode T2 dan T3, muatan negatif (V_DI- V_gp) diubah menjadi muatan positif sehubungan dengan tegangan dataran tinggi V_gp.
7. Ini juga dapat divisualisasikan sebagai penurunan tegangan drain dari V._DImendekati nol.
8. Muatan yang terlibat sama dengan sekitar C_gdintegral dari 0 sampai V._di, yang ditampilkan sebagai Q_gddi lembar data.
9. Selama T3 - T4, tegangan gerbang naik dari V_gpke V_GS, dan di sini kami hampir tidak menemukan perubahan apa pun untuk V_DSdan saya_DS, tetapi R efektif_{DS (aktif)}turun sedikit saat tegangan gerbang naik. Pada beberapa level tegangan di atas V._gp, memberikan kepercayaan yang cukup kepada produsen untuk menetapkan batas atas pada R efektif_{DS (aktif)}.

Untuk Beban Induktif

Kenaikan arus pada saluran MOSFET akibat beban induktif perlu diselesaikan sebelum tegangan mulai turun.

Pada awal dataran tinggi, MOSFET dalam keadaan OFF, dengan adanya arus dan tegangan tinggi yang mengalir ke sumber.

Antara waktu T2 dan T3, ada muatan Q_gdditerapkan ke gerbang MOSFET, di mana karakteristik MOSFET berubah dari arus konstan ke mode resistansi konstan di akhir.

Ketika transisi di atas terjadi, tidak ada perubahan nyata pada tegangan gerbang V_gpterjadi.

Inilah alasan mengapa tidak pernah menjadi ide yang bijaksana untuk menghubungkan proses menghidupkan MOSFET dengan level tegangan gerbang tertentu.

Hal yang sama mungkin berlaku untuk proses sakelar OFF, yang menuntut dua muatan yang sama (dibahas sebelumnya) untuk dihilangkan dari gerbang MOSFET dalam urutan yang berlawanan.

Kecepatan Beralih MOSFET

Sedangkan Q_gsditambah Q_gdbersama-sama memastikan bahwa MOSFET akan AKTIF sepenuhnya, ini tidak memberi tahu kami tentang seberapa cepat ini akan terjadi.

Seberapa cepat sakelar arus atau tegangan ditentukan oleh laju di mana elemen muatan di gerbang diterapkan atau dilepas. Ini juga disebut sebagai arus penggerak gerbang.

Meskipun laju naik dan turun yang cepat memastikan kehilangan peralihan yang lebih rendah pada MOSFET, ini juga dapat menimbulkan komplikasi tingkat sistem terkait dengan peningkatan tegangan puncak, osilasi, dan gangguan elektromagnetik, terutama selama saat mematikan beban induktif.

Tegangan jatuh linier yang digambarkan pada Gambar 7 di atas berhasil mengambil nilai konstan Cgd, yang hampir tidak mungkin terjadi pada MOSFET dalam aplikasi praktis.

Tepatnya, muatan gerbang-drain C_gduntuk MOSFET super junction tegangan tinggi seperti SiHF35N60E menunjukkan respon linier yang sangat tinggi, seperti dapat dilihat pada gambar berikut:

Rentang variasi yang ada pada nilai C_rss(transfer balik) lebih dari 200: 1 dalam awal 100 V. Karena itu, waktu jatuh aktual tegangan terhadap kurva muatan gerbang tampak lebih seperti garis putus-putus yang ditunjukkan dalam warna merah pada gambar 7.

Pada tegangan yang lebih tinggi, waktu naik turunnya muatan, bersama dengan nilai dV / dt ekuivalennya lebih bergantung pada nilai C_rss, sebagai ganti integral dari keseluruhan kurva yang diindikasikan sebagai Q_gd.

Ketika pengguna ingin membandingkan spesifikasi MOSFET dalam lingkungan desain yang berbeda, mereka harus menyadari bahwa MOSFET dengan setengah Q_gdnilai tidak selalu menampilkan tingkat pengalihan dua kali lebih cepat, atau kerugian pengalihan 50% lebih sedikit.

Ini karena menurut C_gdkurva dan besarnya pada tegangan yang lebih tinggi, sangat mungkin bagi MOSFET untuk memiliki Qgd yang rendah di lembar data, tetapi tanpa peningkatan kecepatan peralihan.

Meringkas

Dalam implementasi aktual, MENGAKTIFKAN MOSFET terjadi melalui serangkaian proses, dan bukan dengan parameter yang telah ditentukan.

Desainer sirkuit harus berhenti membayangkan V itu_{GS (th)}, atau level tegangan dapat digunakan sebagai tegangan gerbang untuk mengalihkan output MOSFET dari R tinggi ke rendah_{DS (aktif)}.

Mungkin sia-sia memikirkan memiliki R_{DS (aktif)}di bawah atau di atas level voltase gerbang tertentu, karena level voltase gerbang tidak secara intrinsik menentukan nyalakan mosfet. Melainkan tuntutannya Q_gsdan Q_gddiperkenalkan ke MOSFET yang menjalankan pekerjaan.

Anda mungkin menemukan tegangan gerbang naik di atas V._{GS (th)}dan V_gpselama proses pengisian / pengosongan tetapi ini tidak begitu penting.

Demikian juga, seberapa cepat MOSFET saat ini AKTIF atau NONAKTIF dapat menjadi fungsi kompleks Q_gsatau Q_gd.

Untuk mengevaluasi kecepatan peralihan MOSFET, terutama MOSFET tingkat lanjut, perancang harus melalui studi komprehensif mengenai kurva muatan gerbang dan karakteristik kapasitansi perangkat.

Referensi: https://www.vishay.com/