فهم عملية تشغيل MOSFET

تضمن عملية تشغيل MOSFET المحسوبة بشكل صحيح تشغيل الجهاز بكفاءة مثالية.

أثناء تصميم الدوائر القائمة على MOSFET ، ربما تساءلت ما هي الطريقة الصحيحة لتشغيل MOSFET؟ أو ببساطة ما هو الحد الأدنى من الجهد الذي يجب تطبيقه عبر بوابة / مصدر الجهاز لتشغيله بشكل مثالي؟

على الرغم من أن هذا قد لا يمثل مشكلة بالنسبة للعديد من الأنظمة الرقمية ، إلا أن أنظمة 5V مثل DSPs و FPGAs و Arduinos تتطلب تعزيز نواتجهم لحالة التحويل المثلى لوحدة MOSFET المتصلة.

وفي هذه الحالات ، يبدأ المصمم في النظر في مواصفات MOSFET للحصول على بيانات جهد العتبة. يفترض المصمم أن MOSFET سيتم تشغيله وتغيير الحالة عند تجاوز مستوى العتبة هذا.

ومع ذلك ، قد لا يكون هذا بسيطًا كما قد يبدو.

ما هو عتبة الجهد الخامس_{GS (th)}

بادئ ذي بدء ، يجب أن ندرك أن جهد العتبة ، يُشار إليه بالرمز V._{GS (th)}لا داعي للقلق بشأن مصممي الدوائر.

لكي نكون دقيقين ، فإن جهد البوابة هو الذي يتسبب في عبور تيار التصريف الخاص بـ MOSFET لمستوى عتبة 250 μA ، ويتم اختبار ذلك في ظل ظروف قد لا تحدث عادةً في التطبيقات العملية.

أثناء تحليل معين ، يتم استخدام 5V ثابت للاختبار المذكور أعلاه للجهاز. ولكن يتم تنفيذ هذا الاختبار عادةً مع البوابة وتصريف الجهاز المتصل أو القصير مع بعضهما البعض. يمكنك بسهولة الحصول على هذه المعلومات في ورقة البيانات نفسها ، لذلك لا يوجد شيء غامض بشأن هذا الاختبار.

يشير الجدول أعلاه إلى مستويات العتبة وشروط الاختبار ذات الصلة لمثال MOSFET.

بالنسبة للتطبيق المطلوب ، قد يكون المصمم قلقًا بشأن الموقف المخيف المعروف باسم جهد البوابة 'المستحث' ، والذي قد يمثل مشكلة خطيرة على سبيل المثال في MOSFET منخفض الجانب متزامن محول باك .

كما ناقشنا سابقًا ، هنا أيضًا يجب أن نفهم أن عبور العتبة V_{GS (th)}المستوى قد لا يجبر الجهاز على الدخول في حالة انهيار تبادل إطلاق النار. يخبر هذا المستوى المصمم في الواقع فيما يتعلق بالعتبة التي يبدأ عندها MOSFET للتو في التشغيل وليست حالة تنتهي فيها الأشياء تمامًا.

قد يكون من المستحسن أنه أثناء وجود MOSFET في حالة إيقاف التشغيل ، يتم الحفاظ على جهد البوابة أسفل V._{GS (th)}المستوى ، لمنع التسرب الحالي. ولكن أثناء تشغيله ، قد يتم تجاهل هذه المعلمة ببساطة.

منحنى خاصية النقل

ستجد مخطط منحنى آخر مسمى خصائص النقل في أوراق بيانات MOSFET التي تشرح سلوك تشغيلها استجابةً لزيادة جهد البوابة.

على وجه الدقة ، قد يكون هذا أكثر ارتباطًا بتحليل التباين الحالي فيما يتعلق بجهد البوابة ودرجة حرارة حالة الجهاز. في هذا التحليل فإن V_DSيتم الاحتفاظ بها عند مستوى ثابت ولكن مرتفع ، حوالي 15 فولت ، والذي قد لا يتم الكشف عنه في مواصفات ورقة البيانات.

إذا أشرنا إلى المنحنى كما هو موضح أعلاه ، فإننا ندرك أنه بالنسبة لتيار تصريف 20 أمبير ، قد لا يكون جهد البوابة إلى المصدر 3.2 فولت مناسبًا.

سينتج عن الدمج VDS 10 فولت عادةً مع تبديد 200 واط.

يمكن أن تكون بيانات منحنى النقل مفيدة لدوائر MOSFET التي تعمل في النطاق الخطي ، ومع ذلك قد يكون لبيانات المنحنى أهمية أقل بالنسبة إلى MOSFETs في تبديل التطبيقات.

خصائص الإخراج

يُعرف المنحنى الذي يكشف عن البيانات الفعلية المتعلقة بحالة التشغيل الكامل لـ MOSFET باسم منحنى الإخراج كما هو موضح أدناه:

هنا ، لمختلف مستويات V_عيتم قياس الهبوط الأمامي للـ MOSFET كدالة للتيار. يستخدم مهندسو الأجهزة بيانات المنحنى هذه لتأكيد المستوى الأمثل لجهد البوابة.

لكل مستوى من مستويات جهد البوابة الذي يضمن مفتاح تشغيل كامل لل MOSFET [R._{DS (تشغيل)}] ، نحصل على مجموعة من قطرات الجهد (V._ع) عبر التصريف إلى المصدر الذي له استجابة خطية صارمة مع تيار التصريف. النطاق يبدأ من الصفر وما فوق.

لجهود البوابة المنخفضة (V_ع) ، عندما يزداد تيار التصريف ، نجد أن المنحنى يفقد الاستجابة الخطية ، ويتحرك عبر 'الركبة' ثم يتجه مسطحًا.

توفر لنا تفاصيل المنحنى أعلاه خصائص الإخراج الكاملة لمجموعة من الفولتية للبوابة من 2.5 فولت إلى 3.6 فولت.

عادة ما يفكر مستخدمو MOSFET في هذا على أنه وظيفة خطية. ومع ذلك ، على النقيض من ذلك ، قد يفضل مهندسو الأجهزة إيلاء المزيد من الاهتمام للمنطقة الرمادية من الرسم البياني والتي تشير إلى منطقة التشبع الحالية لجهد البوابة المطبق.

يكشف عن البيانات الحالية التي لمست نقطة التشبع أو حد التشبع. في هذه المرحلة ، إذا كان V._DSستؤدي الزيادة إلى زيادة هامشية في التيار ، لكن الزيادة الصغيرة في تيار التصريف قد تؤدي إلى زيادة V أكبر بكثير_DS.

لزيادة مستويات جهد البوابة ، والتي تمكن MOSFET من التشغيل بالكامل ، ستُظهر لنا المنطقة المظللة باللون الأخضر نقطة التشغيل للعملية ، المشار إليها على أنها منطقة مقاومة (أو أوميك).

يرجى ملاحظة أن المنحنيات هنا تظهر القيم النموذجية فقط ، ولا تتضمن أي حد أدنى أو أقصى الحدود.

أثناء التشغيل في درجات حرارة محيطة منخفضة ، سيحتاج الجهاز إلى جهد بوابة أعلى للبقاء في منطقة المقاومة ، والتي قد ترتفع بمعدل 0.3٪ / درجة مئوية.

ما هو MOSFET RDS (on)

عندما يتعين على مهندسي الأجهزة مواجهة خصائص الإخراج الخاصة بـ MOSFET ، فإنهم سيرغبون بشكل أساسي في التعرف على R_{DS (تشغيل)}للجهاز بالإشارة إلى ظروف التشغيل المحددة.

بشكل عام ، يمكن أن يكون هذا مزيجًا من V._عو انا_DSعبر المنطقة التي انحرف فيها المنحنى عن الخط المستقيم إلى الجزء الذي يشير إليه الظل الرمادي.

بالنظر إلى المثال الذي تمت مناقشته أعلاه ، جهد بوابة يبلغ 3.1 فولت مع تيار أولي قدره 10 أمبير ، سيعرف المهندسون أن R_{DS (تشغيل)}ستميل إلى أن تكون أكبر من القيمة المقدرة. بعد قولي هذا ، هل نتوقع أن تقدم الشركة المصنعة للدوائر MOSFET بيانات تقريبية بخصوص ذلك؟

مع كل من الكميات V_DSو انا_DSيمكن الحصول عليها بسهولة في المنحنى ، وقد تصبح جذابة للغاية ، وغالبًا ما يتم الاستسلام لها ، لتقسيم الكميتين عند الناتج R_{DS (تشغيل)}.

ومع ذلك ، للأسف ليس لدينا R_{DS (تشغيل)}للتقييم هنا. يبدو أنه غير متاح للحالات المذكورة منذ لأي قسم من خط الحمل تمثيل المقاومة يجب أن يعبر الأصل بطريقة خطية.

ومع ذلك ، قد يكون من الممكن محاكاة خط التحميل في شكل مجمع مثل المقاومة غير الخطية.

كحد أدنى ، سيضمن هذا استمرار أي فهم للعمل العملي في الأصل (0 ، 0).

خصائص منحنى رسوم البوابة

إن بيانات منحنى شحنة البوابة هي التي تعطينا في الواقع تلميحًا حقيقيًا فيما يتعلق بمواصفات التشغيل الخاصة بـ MOSFET كما هو موضح في الشكل أدناه :

على الرغم من أن المنحنى أعلاه يعد تضمينًا قياسيًا في جميع أوراق بيانات MOSFET ، إلا أنه نادرًا ما يتم فهم المؤشرات الأساسية بواسطة مستخدم MOSFET.

علاوة على ذلك ، فإن التقدم الحديث في تخطيطات MOSFET ، مثل الخنادق والبوابات المحمية ، يتطلب معالجة منقحة للبيانات.

على سبيل المثال ، قد تبدو المواصفات المسماة 'رسوم البوابة' مضللة قليلاً في حد ذاتها.

لا تظهر المقاطع الخطية والمقسمة للمنحنى كجهد يشحن مكثفًا ، بغض النظر عن مقدار القيمة غير الخطية التي قد تظهرها.

لكي نكون دقيقين ، يشير منحنى شحنة البوابة إلى بيانات مرتبطة بمكثفين غير متوازيين ، لهما مقادير متباينة ويحملان مستويات جهد مختلفة.

من الناحية النظرية ، يتم تعريف السعة الوظيفية كما شوهدت من محطة بوابة MOSFET بالمعادلة:

ج_إصدار= ج_gs+ ج_gd

أين سي_إصدار= سعة البوابة ، ج_gs= سعة مصدر البوابة ، C_gd= سعة استنزاف البوابة

على الرغم من أنه قد يبدو من السهل قياس هذه الوحدة وتحديدها في أوراق البيانات ، إلا أنه يجب ملاحظة أن المصطلح C_إصدارفي الواقع ليست سعة حقيقية.

قد يكون من الخطأ تمامًا الاعتقاد بأن MOSFET يتم تشغيله فقط من خلال جهد مطبق على `` سعة البوابة C_إصدار'.

كما هو مبين في الشكل أعلاه ، قبل تشغيل MOFET مباشرة ، لا توجد شحنة لسعة البوابة ، ولكن السعة عند استنزاف البوابة C_gdيمتلك شحنة سالبة يجب التخلص منها.

كل من هاتين السعة لهما طبيعة غير خطية وتختلف قيمهما إلى حد كبير مع اختلاف الفولتية المطبقة.

ومن ثم ، من المهم ملاحظة أن الشحنات المخزنة في MOSFET هي التي تحدد خصائص التبديل الخاصة بها ، وليس قيمة السعة لمستوى جهد معين.

بما أن عنصري السعة يشكلان C_إصدارلها سمات فيزيائية مختلفة ، فهي تميل إلى أن تكون مشحونة بمستويات جهد مختلفة ، مما يتطلب أن تمر عملية التشغيل في MOSFET أيضًا بمرحلتين.

قد يكون التسلسل الدقيق مختلفًا بالنسبة للتطبيقات المقاومة والاستقرائية ، ولكن عادةً ما تكون معظم الأحمال العملية شديدة الاستقراء ، ويمكن محاكاة العملية كما هو موضح في الشكل التالي:

تسلسل توقيت شحن البوابة

يمكن دراسة تسلسل توقيت شحنة البوابة للـ MOSFET من الرسم البياني أدناه:

يمكن فهمه بالتفسير التالي:

1. T0 - T1: ج_gsرسوم من صفر إلى V._{GS (th)}... الخامس_DSأو أنا_DSلا يمر بأية تغييرات.
2. T1-T2 ، يبدأ التيار في الارتفاع في MOSFET استجابةً لزيادة جهد البوابة من V._{GS (th)}حتى جهد الهضبة V_GP.
3. هنا ، يزيد نظام IDS ويصل إلى تيار الحمل الكامل من 0 فولت ، على الرغم من أن V._DSيبقى غير متأثر وثابت. تتشكل الشحنة المصاحبة من خلال تكامل C_gsمن 0 V إلى V._GPو س_gsالواردة في أوراق البيانات.
4. T2 - T3: لاحظ المنطقة المسطحة بين T2 و T3 ، إنها تسمى هضبة ميلر.
5. قبل التبديل ON ، C_gdيشحن ويحمل جهد الإمداد الخامس_في، إلى أن_DSيصل إلى قيمة الذروة I (الحمل) عند T2.
6. الوقت بين الفترة T2 و T3 ، الشحنة السالبة (V._في- الخامس_GP) إلى شحنة موجبة فيما يتعلق بجهد الهضبة V_GP.
7. يمكن تصور هذا أيضًا على أنه سقوط جهد التصريف من V._فيإلى ما يقرب من الصفر.
8. الشحنة المعنية تساوي حوالي C_gdمتكامل من 0 إلى V._في، والذي يظهر كـ Q_gdفي أوراق البيانات.
9. خلال T3 - T4 ، يرتفع جهد البوابة من V._GPإلى V._ع، وهنا بالكاد نجد أي تغيير في V_DSو انا_DS، ولكن تأثير R_{DS (تشغيل)}ينخفض ​​قليلاً مع ارتفاع جهد البوابة. عند مستوى جهد أعلى من V_GP، يوفر للمصنعين ثقة كافية لإصلاح الحد الأعلى على R الفعال_{DS (تشغيل)}.

للأحمال الاستقرائية

يجب أن يكتمل صعود التيار في قناة MOSFET بسبب الحمل الاستقرائي قبل أن يبدأ الجهد في الانخفاض.

في بداية الهضبة ، تكون MOSFET في حالة إيقاف التشغيل ، في ظل وجود تيار مرتفع وجهد عبر الصرف إلى المصدر.

بين الوقت T2 و T3 ، شحنة Q_gdيتم تطبيقه على بوابة MOSFET ، حيث تتحول خاصية MOSFET من تيار ثابت إلى وضع مقاومة ثابتة في النهاية.

عندما يحدث الانتقال أعلاه ، لا يوجد تغيير ملحوظ في جهد البوابة V._GPيحدث.

هذا هو السبب في أنه ليس من الحكمة أبدًا ربط عملية تشغيل MOSFET بأي مستوى معين من جهد البوابة.

قد يكون الأمر نفسه صحيحًا بالنسبة لعملية إيقاف التشغيل ، والتي تتطلب نفس الشحنتين (تمت مناقشتهما سابقًا) ليتم إزالتها من بوابة MOSFET بالترتيب المعاكس.

سرعة تحويل MOSFET

بينما Q_gsزائد Q_gdمعًا يضمن تشغيل MOSFET بالكامل ، ولا يخبرنا بمدى سرعة حدوث ذلك.

يتم تحديد السرعة التي سيتم بها تبديل التيار أو الجهد من خلال المعدل الذي يتم من خلاله تطبيق أو إزالة عناصر الشحن عند البوابة. يسمى هذا أيضًا باسم تيار محرك البوابة.

على الرغم من أن معدل الصعود والهبوط السريع يضمن خسائر تحويل أقل في الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة (MOSFET) ، فقد يؤدي ذلك أيضًا إلى حدوث مضاعفات على مستوى النظام تتعلق بزيادة جهد الذروة والتذبذبات والتداخل الكهرومغناطيسي ، خاصة أثناء فترات إيقاف التشغيل للحمل الاستقرائي.

يتمكن الجهد الساقط الخطي الموضح في الشكل 7 أعلاه من الحصول على قيمة ثابتة لـ Cgd ، والتي قد تحدث بصعوبة لـ MOSFETs في التطبيقات العملية.

على وجه الدقة ، شحنة استنزاف البوابة ج_gdبالنسبة إلى MOSFET عالي الجهد مثل SiHF35N60E ، يُظهر استجابة خطية عالية بشكل ملحوظ ، كما يتضح من الشكل التالي:

نطاق التباين الموجود في قيمة C_{آر إس إس}(النقل العكسي) هو أكثر من 200: 1 في أول 100 فولت. ونتيجة لذلك ، فإن وقت السقوط الفعلي للجهد مقابل منحنى شحنة البوابة يبدو أشبه بالخط المتقطع الموضح باللون الأحمر في الشكل 7.

في الفولتية العالية ، تعتمد أوقات صعود وهبوط الشحنات ، جنبًا إلى جنب مع قيم dV / dt المكافئة لها ، على قيمة C_{آر إس إس}، بدلاً من تكامل المنحنى بالكامل المشار إليه بالرمز Q_gd.

عندما يرغب المستخدمون في مقارنة مواصفات MOSFET في بيئات تصميم مختلفة ، يجب أن يدركوا أن MOSFET بنصف Q_gdلن تتميز القيمة بالضرورة بمعدل تبديل أسرع مرتين ، أو خسائر تحويل أقل بنسبة 50٪.

هذا لأنه ، وفقًا لـ C._gdمنحنى وحجمه عند الفولتية العالية ، قد يكون من الممكن تمامًا أن يكون لل MOSFET Qgd منخفض في ورقة البيانات ، ولكن دون أي زيادة في سرعة التحويل.

تلخيص

في التنفيذ الفعلي ، يحدث تشغيل MOSFET من خلال سلسلة من العمليات ، وليس بمعامل محدد مسبقًا.

يجب على مصممي الدوائر أن يتوقفوا عن تخيل أن V._{GS (th)}، أو يمكن استخدام مستويات الجهد كجهد بوابة لتبديل خرج MOSFET من مرتفع إلى منخفض R_{DS (تشغيل)}.

قد يكون من غير المجدي التفكير في امتلاك R._{DS (تشغيل)}أقل أو أعلى من مستوى جهد بوابة محدد ، نظرًا لأن مستوى جهد البوابة لا يحدد جوهريًا تشغيل MOSFET. بل هي التهم Q_gsوس_gdأدخلت إلى MOSFET التي تقوم بتنفيذ المهمة.

قد تجد أن جهد البوابة يرتفع فوق V_{GS (th)}و V._GPأثناء عملية الشحن / التفريغ ولكنها ليست مهمة جدًا.

وبالمثل ، فإن السرعة التي قد يتم بها تشغيل أو إيقاف تشغيل MOSFET اليوم يمكن أن تكون وظيفة معقدة لـ Q_gsاو س_gd.

لتقييم سرعات تبديل MOSFET ، خاصة وحدات MOSFET المتقدمة ، يجب على المصمم إجراء دراسة شاملة فيما يتعلق بمنحنى شحنة البوابة وخصائص السعة للجهاز.

المرجعي: https://www.vishay.com/