Cara mengurangi penundaan mematikan MOSFET

Judulnya mengatakan itu semua dalam aplikasi pengalihan sinyal - selain memilih perangkat yang berbeda, bagaimana saya bisa mengurangi penundaan mematikan (saluran-N) MOSFET? Apakah ada sesuatu yang mirip dengan Baker Clamp yang digunakan untuk BJT?

Gerbang dan driver MOSFET terlihat seperti ini:

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

$C_G$ sebagian besar adalah kapasitansi gerbang MOSFET itu sendiri. Pengemudi mungkin menambahkan beberapa kapasitansi sendiri, tetapi biasanya diabaikan.

$L_G$ dan sebagian besar berasal dari sirkuit gerbang driver. Prospek MOSFET juga berkontribusi, tetapi pada tingkat yang lebih rendah.$R_G$

$R_G$ juga tegas menambahkan di beberapa sirkuit driver untuk meredam resonansi dan . Tanpa redaman ini, dering dapat menghasilkan tegangan di gerbang M1 yang mengambil kunjungan sementara jauh melampaui tegangan yang disediakan oleh , kadang-kadang melebihi maksimum yang ditentukan oleh MOSFET dan merusak gerbang.$L_G$$C_G$$V_{GS}$

Untuk waktu pergantian tercepat, Anda ingin semua ini sesedikit mungkin.

Meminimalkan cukup mudah. Jangan menambahkan resistensi lebih dari yang dibutuhkan, dan jangan membuat jejak PCB terlalu tipis. Anda juga ingin agar pengemudi sedekat mungkin dengan MOSFET, dan Anda menginginkannya menjadi sesuatu yang mampu menenggelamkan dan sumber arus tinggi. Cara paling sederhana untuk melakukannya adalah dengan menambahkan pasangan push-pull BJT pengikut emitor:$R_G$

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Untuk contoh yang lebih kompleks, lihat mengemudi sisi rendah jembatan MOSFET dengan 3.3V . Tentu saja, ada juga solusi terintegrasi.

Jika lebih penting untuk mematikan cepat daripada menghidupkan cepat (umum di aplikasi H-bridge), maka D1 dapat ditambahkan ke sebagian besar memotong selama mematikan, sementara masih mempertahankan banyak kemampuan redaman.$R_G$

Untuk meminimalkan , perhatikan tidak hanya panjang jejak gerbang, tetapi juga jalur balik dari sumber kembali ke driver gerbang. Ingat, gerbang pengisian arus harus mengalir melalui gerbang dan sumber, dan kembali ke pengemudi. Induktansi loop ini proporsional dengan area yang dilingkari, dan pada frekuensi tinggi, induktansi ini akan membatasi kecepatan switching lebih dari resistansi . Praktik tata letak yang umum adalah memiliki bidang tanah yang kokoh di bawah MOSFET dan pengemudi, dengan jejak gerbang sesingkat mungkin melindas ini. Di mana Anda perlu menghubungkan layer dengan vias, sertakan beberapa, jika mungkin, untuk meminimalkan induktansi efektifnya.$L_G$$R_G$

Ingat juga bahwa dan termasuk impedansi power supply. Pastikan driver gate dilengkapi dengan kapasitor decoupling catu daya yang memadai. Gunakan beberapa, secara paralel, untuk memaksimalkan kapasitansi dan meminimalkan induktansi.$L_G$$R_G$

$C_G$ tidak dapat dikurangi secara langsung, kecuali dengan memilih MOSFET yang berbeda. MOSFET yang lebih mahal dapat menghasilkan kapasitansi gerbang yang lebih sedikit untuk atau kemampuan penanganan arus maksimum. Selain itu, jangan gunakan MOSFET dengan kemampuan penanganan lebih dari yang dibutuhkan; Anda akan membayarnya dalam peningkatan kapasitansi gerbang.$R_{DS(on)}$

Sebagian besar desain driver gerbang juga dapat mengambil manfaat dari mengemudi gerbang ke tegangan negatif . Dengan menerapkan tegangan yang lebih tinggi untuk dan , saat ini akan menjadi lebih besar, lebih cepat, mengarah ke yang lebih tinggi dan dengan demikian lebih cepat turn-off. Juga ingat bahwa semakin tinggi Anda menghasilkan , semakin cepat Anda dapat beralih, tetapi juga dering yang lebih buruk akan terjadi.$L_G$$R_G$$\frac{di}{dt}$$\frac{di}{dt}$

Juga, ingatlah bahwa jika Anda berhasil mencapai turn-off yang sangat cepat, Anda dapat menabrak batas MOSFET Anda . Ketika tegangan sumber drain meningkat, drain-gate dan kapasitansi drain-body harus diisi, dan ini berarti driver gate harus menenggelamkan arus pengisian. Jika tidak bisa, maka tegangan gerbang mungkin naik cukup untuk menghidupkan MOSFET kembali, dan tergantung pada sirkuit Anda, sesuatu yang buruk bisa terjadi. Biasanya ini berarti tembak-menembak untuk jembatan-H.$\frac{dv}{dt}$

dari Penyearah Internasional - Dasar Daya MOSFET

Ini adalah alasan lain untuk menyertakan D1 jika Anda sengaja menambahkan .$R_G$

Konsep penjepit roti juga dapat diterapkan pada MOSFET, hanya dengan tidak mendorong gerbang ke tegangan yang lebih tinggi dari yang diperlukan. Namun, tidak seperti BJT, MOSFET mengalami penurunan ketika meningkat, jadi ada beberapa nilai dalam menaikkan di atas ambang turn-on.$R_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

contoh, untuk 2N7000

Anda harus menghitung batas termal Anda untuk melihat apakah Anda dapat memperoleh sesuatu di sini, tapi saya katakan jika cukup rendah sehingga Anda tidak perlu menggerakkan gerbang terlalu tinggi, Anda akan mendapatkan kinerja yang lebih baik dengan memilih MOSFET yang berbeda dengan kapasitansi gerbang keseluruhan yang lebih rendah dan . Ini karena sebagian besar muatan yang Anda harus pindahkan, dan dengan demikian waktu Anda harus menunggu untuk menghidupkan atau mematikan, dihabiskan ketika tegangan gerbang melintasi tegangan ambang :$R_{DS}$$R_{DS(on)}$$V_{th}$

2N7000 lagi. Bagian datar di tengah berada di .$V_{th}$

Meningkatkan tegangan gerbang di atas membutuhkan biaya yang relatif sedikit, tetapi Anda bisa mendapatkan pengurangan substansial dalam . R D $V_{th}$$R_{DS}$

Tidak berusaha bersaing dengan jawaban Phil, karena itu benar-benar bagus. Tapi, beberapa hal yang perlu dipikirkan.

Anda tidak menyebutkan jenis bagian apa yang Anda gunakan, tetapi jika Anda benar-benar perlu mengurangi penundaan mematikan Anda mungkin perlu menggunakan bagian pemasangan permukaan. Bagian dalam TO-220, misalnya akan dibangun ke dalam paket 7nH induktansi dan sebanyak 10 Ohm hambatan gerbang yang tidak dapat Anda lakukan. Sementara bagian permukaan mount akan lebih seperti induktansi 3nH dan hambatan gerbang 3 Ohm, yang bisa diaktifkan jauh lebih cepat.

Sejauh menarik biaya keluar dari gerbang lebih cepat, Anda bisa mempertimbangkan menambahkan pnp pull down transistor di gerbang FET. Sesuatu seperti ini:

Transistor Q5 bertindak sebagai tarikan induktansi rendah lokal yang membagi resistansi rangkaian gerbang hulu oleh transistor . Ini semacam ide Phil untuk menggunakan dioda, kecuali Anda mendapatkan keuntungan dari keuntungannya. $\beta$

Jika Anda ingin panduan kuantitatif untuk menemukan resistensi gerbang minimum yang harus digunakan, Anda dapat melihat posting ini .

Ada beberapa hal yang dapat Anda lakukan untuk mempercepat turn-off untuk MOSFET.

1) Gunakan driver gerbang impedansi rendah yang mampu mengeluarkan kapasitansi gerbang lebih cepat.

2) Jika Anda memiliki resistor secara seri dari driver gate ke gate, coba turunkan nilai resistansi ini.

3) Jika ada resistor secara seri dengan gerbang dari driver coba letakkan kapasitor di resistor seri ini. Ini dapat mempercepat belokan FET asalkan pengemudi memiliki impedansi yang cukup rendah dan konstanta waktu R / C dari pasangan resistor / kapasitor memungkinkan kapasitor untuk dilepaskan sebelum transisi on ke off.

4) Coba biasing driver gerbang untuk FET sehingga gerbang mengayunkan sejumlah kecil di bawah tegangan sumber selama dan setelah transisi gerbang yang mati. Jika sumbernya ada di GND maka cobalah untuk mendapatkan gerbang beberapa ratus milivolt di bawah GND.

Terlepas dari apa yang dikatakan Michael Karas, tidak ada gunanya menerapkan tegangan gerbang lebih dari yang Anda butuhkan. Ini, secara tidak langsung adalah apa yang penjepit tukang roti lakukan untuk BJT.

Jadi, Anda menemukan bahwa untuk menyalakan FET secara memadai, Anda perlu (katakanlah) 5V tetapi Anda menerapkan 10V - 5 dari volt tersebut harus "habis" sebelum FET memulai fase mematikan.

Ini "mudah" dengan BJT untuk mengotomatisasi ini dengan dioda tetapi jika Anda dapat memilih dengan tepat berapa banyak tegangan gerbang yang perlu Anda terapkan (tergantung papan sirkuit) dan memperhitungkan suhu akun dan hal-hal lain (itu mungkin berarti Anda memerlukan satu atau dua volt lagi) ), maka Anda mungkin menghemat beberapa nano detik.