전기 공학을 배울 때 일반적으로 듣는 규칙은 MOSFET의 게이트 전류가 항상 약 0이라는 것입니다. 0이라고 가정하는 것이 안전하지 않은 경우는 언제입니까?
답변:
과도 조건에서는 게이트 커패시턴스를 충전 (또는 방전)해야하고 전류가 필요하기 때문에 게이트 전류는 0이 아닙니다. 게이트 전류가 클수록 게이트 전압이 더 빠르게 변하고 장치가 더 빠르게 전환됩니다. 스위치 전환이 완료되면 게이트 전류가 0에 가까워집니다 (대부분 누설 전류 임).
낮은 스위칭 (PWM) 주파수의 경우 rms 게이트 전류가 낮습니다. 스위칭 주파수가 높을수록 rms 전류가 증가합니다.
가장 중요한 예외는 일반적으로 정적 누출이 아니라 게이트 커패시턴스를 충전 또는 방전하여 켜거나 끄는 경우입니다.
유용한 커패시턴스로 게이트 커패시턴스를 충전 및 방전하기 위해 약 0.1 내지 1 amp의 게이트 전류가 전형적으로 요구된다.
너무 빠르면 추가 손실이 발생합니다.
너무 느리면 FET가 오프와 하드 온 사이에서 능동 저항 상태에있게되고 적절한 설계로 달성 할 수있는 것에 비해 매우 많은 양의 에너지를 소실합니다.
그렇기 때문에 게이트 드라이버가 필요한 이유는 전압 요구 사항이 충족 된 경우에도 일반적으로 1 ~ 30mA를 제공 할 수있는 마이크로 컨트롤러 핀에서 고주파수 MOSFET 게이트를 구동 할 수없는 이유입니다.
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관련-MOSFET 게이트 구동 전류 :
10kHz 이상에서 스위칭되는 MOSFET은 애플리케이션에 따라 적절한 스위칭 시간을 달성하기 위해 0.1A-1A 범위의 게이트 구동 전류가 필요할 수 있다는 점은 종종 인식되지 않습니다. 범위의 더 높은 끝에서 많은 10의 kHz 게이트 드라이브가 일반적입니다.
MOSFET 데이터 시트는 게이트 전하 및 게이트 커패시턴스를 지정합니다. 커패시턴스는 일반적으로 "몇몇 나노 패러 드"범위에 있으며 게이트 전하는 일반적으로 수십 나노 쿨롱이고 입력 커패시턴스는 일반적으로 나노 페드 또는 몇 개입니다.
Digikeys 파라 메트릭 셀렉터를 사용하면 60-100 V Vds 및 10-20 Amp Id의 N 채널 MOSFET 만 서브셋합니다.
게이트 전하량은 3.4nC로 낮았고 입력 커패시턴스 = 256pF이고
하단 중앙 사 분위수 = 18nC 및 870pF 및
상단 중앙 사 분위수 = 46nC 및 1200pF 인 5700pF
입력 커패시턴스
에서
225nC
이 전하는 게이트 커패시턴스 내외부로 "펌핑"되어야한다.
10 kHz에서 PWM을 사용하는 경우 1 사이클 = 100 uS이므로 스위칭 시간이 그보다 작은 것이기를 바랍니다. 0에서 일반적으로 3V에서 12V까지 몇 nF를 충전 또는 방전하려면 100mA 이상의 드라이브가 필요합니다.
1 쿨롱 = 1 암페어 초이므로 10 nC는 0.01 uS의 경우 1A 평균 또는 0.1uS의 경우 0.1A 평균이 필요합니다. 225 nC 게이트 전하를 갖는 위의 끔찍한 이상치 MOSFET은 1A에서 0.225 uS의 충전에 0.1A에서 2.25 uS의 충전이 필요합니다. 이 FET가 대부분의 것보다 훨씬 더 나쁜 이유는 i가 "비평 적- 일반적으로 게이트 전압없이 켜져 있고 그것을 끄려면 음의 게이트 전압이 필요한 100V 16A 공핍 모드 장치 이기 때문입니다. 그러나 여전히" 예를 들어 100+ nC 게이트 전하를 갖는 이 60V, 20A 부품에 의해 포착 됩니다.
이보다 일반적인 60V 14A 부품의 게이트 최대 충전량은 18nC입니다. 10mA의 마이크로 컨트롤러 포트 핀에서 구동하면 소요됩니다! 게이트 커패시터를 충전하는 1.8 uS-아마도 10 kHz에서는 허용되고 100 kHz에서는 매우 나쁩니다. '올바로 구동'될 때 110 및 41 nS의 상승 및 하강 스위칭 시간을 사용하면 ~ 2 uS 게이트 충전 시간보다 상한 근처의 어느 곳이든 스위칭하기보다 더 나은 것을 원할 것입니다.
예:
200nS 하이 사이드 게이트 드라이버 :
이 회로의 출처는 확실하지 않습니다-PICList 멤버를 통해 생각합니다. 누군가 관심이 있는지 확인할 수 있습니다. 이 회로는 명백한 것보다 훨씬 더 "영리하다". (Olin은 여기에 사용 된 입력 배열을 좋아합니다). R14에서 ~ = 3V 스윙은 R15에 대해 약 15V 스윙을 유발하므로 Q14 / Q15베이스는 + 30V에서 약 + 15V로 스윙하여 하이 사이드 게이트가 P 채널 MOSFET으로 이동하면 ~ 15V를 제공합니다.
다음은 큰 MOSFET의 과도 특성을 나타내는 일부 파형입니다. 스위칭하는 동안 게이트 전류가 높아지고 여기에서 게이트 구동 전압이 떨어질 수 있습니다. (검은 선)
.
이 일반화는 이상적인 증폭 애플리케이션 측면에서 MOSFET을 BJT와 비교하는 것에서 비롯된 것 같습니다.
"BJT는 전류 제어 장치 (베이스 전류 제어 컬렉터 전류,베이스 전압은 PN 순방향 드롭으로 클램핑 된 반면)는 MOSFET이 트랜스 컨덕턴스 디바이스 (베이스 전류는 무시할 수 있고베이스 전압은 컬렉터 전류를 제어 함)" .
"안정 상태"증폭기 (하드 스위칭 또는 바이어 싱에서 큰 스윙 없음)에 대해 이야기 할 때 '제로베이스 전류'라는 가정은 의미있는 작업을 수행 할 수있을 정도로 충분합니다.
고주파 하드 스위칭을 도입 할 때, 다른 사람들이 MOSFET의 고유 커패시턴스가 동작을 지배한다고 지적 했으므로 (즉, 기본 전류는 게이트 커패시턴스를 충전 및 방전하는 함수 임) '제로 전류'가정이 무효화됩니다.