MOSFET: ¿Cuándo no podemos asumir que la corriente de la puerta es 0?

En condiciones transitorias, la corriente de la puerta será distinta de cero, ya que necesita cargar (o descargar) la capacitancia de la puerta y esto requiere corriente. Cuanto mayor sea la corriente de la puerta, más rápido cambiará el voltaje de la puerta y más rápido cambiará el dispositivo. Una vez que se completa la transición del interruptor, la corriente de la puerta se aproxima a cero (y es principalmente la corriente de fuga).

Para frecuencias de conmutación bajas (PWM), la corriente de puerta rms será baja. Las frecuencias de conmutación más altas aumentarán la corriente rms.

La excepción más importante generalmente no es la fuga estática, sino la carga o descarga de la capacitancia de la puerta para encenderla o apagarla.

Por lo general, se requieren corrientes de compuerta de alrededor de 0,1 a 1 amperio para cargar y descargar la capacitancia de la compuerta en tiempos útilmente rápidos.

Demasiado rápido conduce a pérdidas adicionales.
Demasiado lento conduce a que FET esté en estado resistivo activo entre encendido y apagado y disipando cantidades muy importantes de energía en relación con lo que se puede lograr con un diseño adecuado.

Esta es la razón por la que se requieren controladores de compuerta y por la que no puede simplemente controlar una compuerta MOSFET a altas frecuencias desde un pin de microcontrolador que generalmente puede entregar de 1 a 30 mA, incluso cuando se cumplen bien los requisitos de voltaje.

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Relacionado - Corrientes de accionamiento de compuerta MOSFET:

A menudo no se aprecia que un MOSFET que se conmuta a más de 10 kHz puede necesitar corrientes de activación de compuerta en el rango de 0,1 A - 1 A para lograr tiempos de conmutación adecuados, según la aplicación. En muchos 10 de kHz, la activación de la puerta en el extremo superior del rango sería común.

Las hojas de datos MOSFET especifican la carga de la puerta y la capacitancia de la puerta. Las capacitancias suelen estar en el rango de "pocos nanofaradios" y la carga de la puerta suele ser de unas pocas decenas de nanoculombios y la capacitancia de entrada suele ser de un nanofaradio o unos pocos.

Usando el selector paramétrico de Digikeys, solo subconjunto MOSFETS de canal N de 60-100 V Vds y 10-20 Amp Ids.
La carga de la compuerta fue tan baja como 3,4 nC y una capacitancia de entrada = 256 pF y
tan alta como 225 nC con una capacitancia de entrada de 5700 pF
con el cuartil medio inferior = 18 nC y 870 pF y
el cuartil medio superior = 46 nC y 1200 pF

Esa carga tiene que ser "bombeada" dentro y fuera de la capacitancia de la puerta.
Si está utilizando PWM a, digamos, 10 kHz, entonces 1 ciclo = 100 uS, por lo que esperaría que los tiempos de conmutación fueran una pequeña fracción de eso. Si desea cargar o descargar unos pocos nF a/desde cero hasta típicamente 3 V a 12 V, entonces es necesario tener al menos 100 mA de impulso.

1 culombio = 1 amperio por segundo, por lo que 10 nC requiere una media de 1 A para 0,01 uS o una media de 0,1 A para 0,1 uS. El horrendo MOSFET atípico anterior con una carga de compuerta de 225 nC necesitaría 0,225 uS para cargarse a 1A y 2,25 uS a 0,1A. La razón por la que este FET es mucho peor que la mayoría es que es "especial: es un dispositivo de modo de agotamiento de 100 V 16 A que generalmente está encendido sin voltaje de puerta y requiere voltaje de puerta negativo para apagarlo. Sin embargo, uno todavía puede ser " atrapado" por, por ejemplo , esta parte de 60 V, 20 A con carga de puerta de 100+ nC.

Esta parte más normal de 60V 14A tiene una carga de puerta máxima de 18 nC. ¡Condúzcalo desde un pin de puerto de microcontrolador a 10 mA y tomará! 1,8 uS para cargar el condensador de puerta, probablemente aceptable a 10 kHz y muy malo a 100 kHz. Con tiempos de conmutación de subida y bajada de 110 y 41 nS cuando se maneja correctamente, querrá algo mejor que ~ 2 tiempos de carga de la puerta de EE. UU. para cambiarlo en cualquier lugar cerca de sus límites superiores.

Ejemplo:

Controlador de compuerta de lado alto de 200 nS:

La fuente de este circuito no es segura, creo que a través del miembro PICList. Puede comprobar si a alguien le importa. Tenga en cuenta que este circuito es considerablemente más "inteligente" de lo que parece. (A Olin le gusta el arreglo de entrada que se usa aquí). La oscilación de ~= 3 V en R14 provoca una oscilación de aproximadamente 15 V en R15, por lo que las bases Q14/Q15 oscilan de +30 V a aproximadamente +15 V, proporcionando ~ 15 V si la compuerta lateral alta conduce al MOSFET del canal P.

Verifique la hoja de datos. Para este MOSFET , especifican una puerta para generar una corriente de fuga de un máximo de 100 nA. Si está manejando el FET desde un opamp, por ejemplo, probablemente pueda ignorarlo. Si está utilizando voltaje estático con una carga muy baja, 100 nA puede ser demasiado. Todo depende de su aplicación, pero en la mayoría de los casos esta corriente estática será insignificante. El encendido y el apagado provocarán un pico de corriente mucho mayor para cargar y descargar la capacitancia de la puerta.

Situación hipotética: digamos que desea implementar instrumentación/detección de voltajes generados por cargas muy pequeñas. (Cargas que podrían ser drenadas incluso por una pequeña corriente a través de una impedancia muy alta).

Aquí hay algunas formas de onda que indican algunas de las naturalezas transitorias de un MOSFET grande. La corriente de la compuerta aumenta durante la conmutación y puede haber causado una caída en el voltaje de activación de la compuerta aquí. (línea negra) .

Creo que esta generalización proviene de comparar un MOSFET con un BJT en términos de una aplicación de amplificación idealizada.

"Un BJT es un dispositivo controlado por corriente (corriente base que controla la corriente del colector, voltaje base sujeto a una caída directa de PN), mientras que un MOSFET es un dispositivo de transconductancia (la corriente base es insignificante, el voltaje base controla la corriente del colector)", como dice el maestro. .

Cuando habla de amplificadores de "estado estable" (sin cambios bruscos ni grandes cambios en la polarización), la suposición de "corriente de base cero" es lo suficientemente cierta como para permitirle hacer un trabajo significativo.

Cuando introduce una conmutación dura de alta frecuencia, como otros han señalado, las capacitancias inherentes del MOSFET dominan el comportamiento (es decir, la corriente base consumida es una función de carga y descarga de la capacitancia de la puerta), por lo que se invalida la suposición de 'corriente cero'.