El título lo dice todo en las aplicaciones de conmutación de señales: además de elegir un dispositivo diferente, ¿cómo puedo reducir el retardo a la desconexión de los MOSFET (de canal N)? ¿Existe algo similar a la pinza Baker utilizada para los BJT?
Respuestas
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La puerta y el controlador de un MOSFET tienen un aspecto similar al siguiente:
simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab
\$C_G\$ es principalmente la capacitancia de la puerta del propio MOSFET. El driver puede añadir algo de capacitancia propia, pero suele ser insignificante.
\$L_G\$ y \$R_G\$ provienen en su mayoría del circuito conductor de la puerta. Los conductores del MOSFET también contribuyen, pero en menor medida.
\$R_G\$ también se añade expresamente en algunos circuitos de conductores para amortiguar la resonancia de \$L_G\$ y \$C_G\$ . Sin esta amortiguación, el anillamiento puede hacer que la tensión en la puerta de M1 tenga excursiones transitorias muy por encima de la tensión proporcionada por \$V_{GS}\$ , superando a veces el máximo especificado por el MOSFET y dañando la puerta.
Para que los tiempos de conmutación sean los más rápidos posibles, es conveniente que todos ellos sean los menos posibles.
Minimizar \$R_G\$ es bastante sencillo. No añadas más resistencia de la necesaria, y no hagas las trazas de la PCB excesivamente finas. También quieres que el driver esté tan cerca del MOSFET como sea posible, y quieres que sea algo capaz de absorber y absorber mucha corriente. La forma más sencilla de hacerlo podría ser añadir un par de seguidores de emisor BJT push-pull:
Para un ejemplo más complejo, véase conduciendo el lado bajo de un puente de mosfet con 3.3V . Por supuesto, también hay soluciones integradas.
Si es más importante tener un apagado rápido que un encendido rápido (común en aplicaciones de puentes en H), entonces se puede añadir D1 para derivar mayormente \$R_G\$ durante la desconexión, conservando gran parte de la capacidad de amortiguación.
Para minimizar \$L_G\$ En el caso de la puerta, tenga en cuenta no sólo la longitud del trazado de la puerta, sino también el camino de retorno desde la fuente hasta el controlador de la puerta. Recuerda que la corriente de carga de la puerta debe fluir a través de la puerta y la fuente, y de vuelta al conductor. La inductancia de este bucle es proporcional al área que rodea, y a altas frecuencias, esta inductancia limitará la velocidad de conmutación mucho más que la resistencia \$R_G\$ . La práctica común de diseño es tener un plano de tierra sólido bajo el MOSFET y el driver, con la traza de la puerta lo más corta posible pasando por encima. Cuando haya que conectar capas con vías, incluya varias, si es posible, para minimizar su inductancia efectiva.
Recuerde también que \$L_G\$ y \$R_G\$ incluya la impedancia de la fuente de alimentación. Asegúrese de que el controlador de puerta está adecuadamente provisto de condensadores de desacoplamiento de la fuente de alimentación. Utilice varios, en paralelo, para maximizar la capacitancia y minimizar la inductancia.
\$C_G\$ no puede reducirse directamente, salvo seleccionando un MOSFET diferente. Los MOSFETs más caros pueden ofrecer menos capacitancia de puerta a cambio de una menor \$R_{DS(on)}\$ o la máxima capacidad de manejo de corriente. Además, no utilice un MOSFET con más capacidad de manejo de corriente de la necesaria; lo pagará con una mayor capacitancia de puerta.
La mayoría de los diseños de controladores de puerta también pueden beneficiarse de la conducción de la puerta a un negativo tensión. Al aplicar una tensión más alta a \$L_G\$ y \$R_G\$ la corriente será mayor, más rápida, lo que llevará a una mayor \$\frac{di}{dt}\$ y, por tanto, un apagado más rápido. Recuerde también que cuanto más alto haga \$\frac{di}{dt}\$ Cuanto más rápido se pueda cambiar, pero también será peor el timbre.
Además, ten en cuenta que si consigues un apagado muy rápido, puedes chocar con los MOSFET's \$\frac{dv}{dt}\$ límite. A medida que la tensión de drenaje-fuente aumenta, la capacitancia de drenaje-puerta y drenaje-cuerpo debe cargarse, y esto significa que el controlador de puerta debe hundir esa corriente de carga. Si no puede, la tensión de puerta puede aumentar lo suficiente como para volver a encender el MOSFET y, dependiendo de su circuito, podría ocurrir algo malo. Por lo general, esto significa que los puentes H se disparan.
de International Rectifier - Fundamentos del MOSFET de potencia
Esta es otra razón para incluir el D1 si se ha añadido intencionadamente \$R_G\$ .
El concepto de pinza de panadero también puede aplicarse a un MOSFET, simplemente no conduciendo la puerta a un voltaje más alto del necesario. Sin embargo, a diferencia de los BJT, los MOSFET experimentan una disminución \$R_{DS}\$ como \$V_{GS}\$ aumenta, por lo que tiene cierto valor aumentar \$V_{GS}\$ por encima del umbral de encendido.
un ejemplo, para 2N7000
Tendrás que calcular tus límites térmicos para ver si puedes ganar algo aquí, pero yo diría que si \$R_{DS}\$ es lo suficientemente bajo como para no necesitar un accionamiento de la puerta muy alto, se obtendría un mejor rendimiento seleccionando un MOSFET diferente con menor capacitancia total de puerta y mayor \$R_{DS(on)}\$ . Esto se debe a que la mayor parte de la carga que tiene que mover, y por tanto el tiempo que tiene que esperar para encenderse o apagarse, se gasta cuando el voltaje de la puerta está cruzando el voltaje umbral \$V_{th}\$ :
2N7000 de nuevo. La sección plana en el centro está en \$V_{th}\$ .
Aumentar la tensión de la puerta por encima de \$V_{th}\$ se cobra relativamente poco, pero se pueden obtener reducciones sustanciales en \$R_{DS}\$ .
Goethe
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18
No intento competir con la respuesta de Phil, porque es realmente buena. Pero, un par de cosas para pensar.
No mencionas qué tipo de pieza estás utilizando, pero si realmente necesitas reducir el retardo de apagado puede que necesites utilizar una pieza de montaje superficial. Una pieza en un TO-220, por ejemplo, tendrá incorporado en el paquete 7nH de inductancia y tanto como 10 Ohms de resistencia de puerta que no puede hacer nada. Mientras que una pieza de montaje superficial tendría más bien una inductancia de 3nH y una resistencia de puerta de 3 Ohms, que podría ser conmutada mucho más rápidamente.
En cuanto a sacar la carga de la puerta más rápido, podrías considerar añadir un transistor pnp pull down en la puerta del FET. Algo como esto:
El transistor Q5 actúa como un pull down local de baja inductancia que divide cualquier resistencia del circuito de puerta aguas arriba por el transistor \$\beta\$ . Esto es algo así como la idea de Phil de usar el diodo, excepto que se obtiene el beneficio de la ganancia.
Si desea obtener directrices cuantitativas para encontrar la resistencia mínima de la puerta que debe utilizarse, puede consultar este puesto.
Bernd
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61
Hay varias cosas que se pueden hacer para acelerar el apagado de un MOSFET.
1) Utilice un controlador de puerta de menor impedancia que sea capaz de descargar la capacitancia de la puerta más rápidamente.
2) Si tienes una resistencia en serie desde el driver de la puerta hasta la puerta intenta bajar el valor de esta resistencia un poco.
3) Si hay una resistencia en serie con la puerta del driver, prueba a poner un condensador a través de esta resistencia en serie. Esto puede acelerar el apagado del FET siempre que el driver tenga una impedancia lo suficientemente baja y la constante de tiempo R/C del par resistencia/condensador permita que el condensador se descargue antes de la transición de encendido a apagado.
4) Pruebe a polarizar el controlador de la puerta del FET de modo que la puerta oscile una pequeña cantidad por debajo de la tensión de la fuente durante y después de la transición de apagado de la puerta. Si la fuente está en GND, intente que la puerta esté unos cientos de milivoltios por debajo de GND.
ianb
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659
Aparte de lo que dice Michael Karas, no tiene sentido aplicar más tensión de puerta de la que se necesita. Esto, de forma indirecta es lo que hace la pinza baker a un BJT.
Por lo tanto, se encuentra que para encender adecuadamente el FET se necesitan (digamos) 5V pero se aplican 10V - 5 de esos voltios tienen que ser "descargados" antes de que el FET comience la fase de apagado.
Es "fácil" con un BJT automatizar esto con diodos, pero si puedes seleccionar exactamente cuánto voltaje de puerta necesitas aplicar (depende de la placa de circuito) y tener en cuenta la temperatura y otras cosas (que pueden significar que necesitas uno o dos voltios más), entonces podrías estar ahorrando unos nano segundos.
