Capacitancia de la puerta frente a carga de la puerta en FET de n canales y cómo calcular la disipación de energía durante la carga/descarga de la puerta

Como dice endolith, tienes que mirar las condiciones de los parámetros. los 30nC son un valor máximo para$V_{GS}$= 10V. El gráfico en la página 3 de la hoja de datos dice típicamente 10nC @ 5V, entonces C =$\frac{10nC}{5V}$= 2nF. Otro gráfico también en la página 3 da un valor de 1nF para$C_{ISS}$. La discrepancia se debe a que la capacitancia no es constante (es por eso que dan un valor de carga).

De hecho, la resistencia de la puerta tendrá una influencia. La constante de tiempo de la puerta será (9$\Omega$+ 3.6$\Omega$)$\times$2nF = 25ns, en lugar de 9$\Omega \times$2nF = 18ns.

En teoría habrá una ligera diferencia entre encender y apagar, ya que al apagar se parte de una temperatura más alta. Pero si el tiempo entre encendido y apagado es pequeño (mucho margen aquí, hablamos de decenas de segundos) la temperatura es constante, y la característica será más o menos simétrica.

Acerca de su pregunta lateral. Esto generalmente no se proporciona en las hojas de datos, porque la corriente dependerá de$V_{GS}$,$V_{DS}$y la temperatura, y los gráficos de 4 dimensiones no funcionan bien en dos dimensiones. La única solución es medirlo. Una forma es grabar$I_D$y$V_{DS}$graficar entre apagado y encendido y, multiplicar ambos e integrar. Esta transición normalmente ocurrirá rápido, por lo que probablemente solo pueda medir unos pocos puntos, pero eso debería darle una buena aproximación. Hacer la transición más lentamente dará más puntos, pero la temperatura será diferente y, por lo tanto, el resultado será menos preciso.

Haciendo referencia a esta nota de la aplicación Fairchild sobre la conmutación MOSFET , esta nota de Infineon sobre la figura de mérito , esta nota IR y mi propia experiencia:

$Q_g$cuantifica la carga total de la puerta, que se compone de algunos elementos agrupados:

• $Q_{gs}$(puerta a fuente)
• $Q_{gd}$(puerta a drenaje)

En términos de calcular cuánta energía se disipa al encender el MOSFET, puede usar la relación Q = CV para calcular la capacitancia efectiva de la puerta. El fabricante a menudo también publica esta cifra como$C_{iss}$.

La nota IR resume bastante bien la pérdida de conmutación. Durante el$Q_{gs}$intervalo, el MOSFET comienza a conducir ($I_D$aumenta y$V_{DS}$permanece alto). Durante el$Q_{gd}$intervalo, el MOSFET se satura ($V_{DS}$caídas). La mejor manera de ver la pérdida es, como se sugirió anteriormente, medir$V_{DS}$y$I_D$. Este artículo de EETimes describe cómo calcular matemáticamente la pérdida de conmutación para una variedad de condiciones, que no desarrollaré aquí.

La resistencia de la puerta MOSFET se agrega con cualquier resistencia externa que tenga para determinar la corriente de carga. En su caso, dado que solo está cargando a 5V, no maximizará la capacidad actual de su controlador.

Descargar la puerta es relativamente idéntico a cargarla, en la medida en que los umbrales siguen siendo los mismos. Si el umbral de encendido es de 4 V y carga a 5 V, puede imaginar que habrá una pequeña asimetría en el tiempo de encendido frente al tiempo de apagado, ya que solo está descargando 1 V para apagar vs. 4V para encender.

Según el comentario anterior, es bastante común ver redes de resistencias y diodos en los circuitos de control MOSFET para adaptar las corrientes de carga de encendido y apagado.

La especificación en la hoja de datos dice V _GS = 10 V, así que no. Sería C = 30 nC / 10 V = 3 nF. Pero esto es un máximo absoluto.

En lugar de un solo valor de capacitancia, especifican la capacitancia como un gráfico en la página 3. Los significados de c _iss c _rss y c _oss se dan en la figura 5 de este documento. Creo que lo que más le importa es c _iss , que es de aproximadamente 900 pF según el gráfico.

disipación de energía durante el encendido y apagado

Podría pensar que el transistor que se calienta durante esas transiciones tiene algo que ver con los voltajes internos, las corrientes y las capacitancias del transistor.

En la práctica, siempre que encienda o apague un interruptor con la suficiente rapidez, los detalles internos del interruptor son irrelevantes. Si saca el interruptor por completo del circuito, las otras cosas en el circuito inevitablemente tienen alguna capacitancia parásita C entre los dos nodos que el interruptor enciende y apaga. Cuando inserta un interruptor de cualquier tipo en ese circuito, con el interruptor apagado, esa capacitancia se carga hasta cierto voltaje V, almacenando CV^2/2 vatios de energía.

No importa qué tipo de interruptor sea, cuando enciende el interruptor, todos los CV^2/2 vatios de energía se disipan en ese interruptor. (Si cambia muy lentamente, entonces quizás se disipe aún más energía en ese interruptor).

Para calcular la energía disipada en su interruptor mosfet, encuentre la capacitancia externa total C a la que está conectado (probablemente en su mayoría parásita) y el voltaje V que cargan los terminales del interruptor justo antes de que se encienda. La energía disipada en cualquier tipo de interruptor es

• E_encendido_= CV/2

en cada encendido.

La energía disipada en las resistencias que impulsan la puerta de su FET es

• E_compuerta = Q_g V

donde

• V = la oscilación del voltaje de la puerta (según su descripción, es de 5 V)
• Q_g = la cantidad de carga que empuja a través del pin de la puerta para encender o apagar el transistor (según la hoja de datos de FET, es aproximadamente 10 nC a 5 V)

La misma energía E_gate se disipa durante el encendido y nuevamente durante el apagado.

Parte de esa energía E_gate se disipa en el transistor, y parte se disipa en el chip controlador FET. Usualmente uso un análisis pesimista que asume que toda esa energía se disipa en el transistor, y también toda esa energía se disipa . en el controlador FET.

Si su interruptor se apaga lo suficientemente rápido, la energía disipada durante el apagado suele ser insignificante en comparación con la energía disipada durante el encendido. Podría colocar un límite en el peor de los casos (para cargas altamente inductivas) de

• E_turn_off = IVt (peor caso)

donde

• I es la corriente a través del interruptor justo antes del apagado,
• V es el voltaje a través del interruptor justo después del apagado, y
• t es el tiempo de conmutación de encendido a apagado.

Entonces la potencia disipada en el fet es

• P = P_conmutación + P_encendido

donde

• P_switching = (E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate) * switching_frequency
• switching_frequency es el número de veces por segundo que cicla el interruptor
• P_on = IRd = la potencia disipada mientras el interruptor está encendido
• I es la corriente promedio cuando el interruptor está encendido,
• R es la resistencia en estado activado del FET, y
• d es la fracción del tiempo que el interruptor está encendido (utilice d=0,999 para las estimaciones del peor de los casos).

Muchos puentes H aprovechan el diodo del cuerpo (generalmente no deseado) como un diodo de retorno para capturar la corriente de retorno inductiva. Si hace eso (en lugar de usar diodos de captura Schottky externos), también deberá agregar la potencia disipada en ese diodo.