Determinar la velocidad de conmutación del MOSFET

Question

¿Cómo puedo determinar la velocidad de conmutación de un MOSFET, con Qg (carga de puerta), Vgs (tensión de unión G-S) y resistencia de puerta dados? ¿Cómo puedo determinar el valor necesario de la resistencia de puerta?

Answer 1

Desde el punto de vista del circuito de conducción, la puerta parece un condensador hacia la fuente. En realidad, también tiene cierta capacitancia hacia el drenaje, pero eso se ha tenido en cuenta en la cifra de la carga total de la puerta. Se conoce el voltaje que debe cambiar la puerta y la carga que debe transferirse para lograrlo. A partir de ahí es sencillo calcular la capacitancia equivalente: Faradios = Couloumbs / Volt. Una vez que tienes la capacitancia, la constante de tiempo R*C te da una idea de la rapidez con la que la puerta se moverá dada una entrada escalonada al otro lado de la resistencia de la puerta. Para alcanzar el 90% de la tensión final de la puerta, por ejemplo, se necesitan 2,3 constantes de tiempo.

El momento en que el FET "cambia" es más complicado. El FET no pasará de repente de estar completamente apagado a estar completamente encendido a un voltaje de puerta determinado, pero hay un voltaje de puerta en el que un pequeño cambio incremental supondrá la mayor diferencia en la característica de salida del FET. Tienes que decidir qué significa realmente la "conmutación" de full on y full off, y luego decidir qué rango de tensión de puerta representa. A continuación, puede utilizar el modelo R-C equivalente para decidir la rapidez con la que una entrada escalonada hará que se desplace a través de esta región. Por ejemplo, si decides que la mayor parte de la conmutación se produce entre el 20% y el 80% de la tensión de puerta, entonces eso sería 1,4 constantes de tiempo.

Answer 2

La mayor parte de la acción de conmutación se produce cuando la tensión de puerta se estabiliza en la tensión de umbral Vgsth, momento en el que la tensión de drenaje cae rápidamente y el llamado efecto Miller mantiene el umbral ahí hasta que el drenaje alcanza su mínimo:

(de https://web.archive.org/web/20120324165247/http://www.ti.com/lit/ml/slup097/slup097.pdf )

Como ejemplo práctico, digamos que tiene un IRL540N que está conduciendo con una fuente de 5V con una resistencia en serie de 100 ohmios.

El umbral de la puerta está especificado entre 1 y 2 V. Esto significa que la corriente de carga de la puerta sería de 30-40mA. La carga total de la puerta está especificada en <74nC, por lo que estamos hablando de un tiempo máximo de conmutación de t = Qmax/Imin = 74nC/30mA = 2,47useg.

¿Por qué no se puede utilizar una resistencia de puerta con resistencia cero?

Por varias razones:

• La inductancia parásita de la fuente en el MOSFET puede causar oscilaciones de alta frecuencia, o al menos un encendido muy poco amortiguado

• Por lo general, es conveniente ajustar el tiempo de encendido de forma adecuada por razones de EMI.

• Y en un accionamiento de compuerta de medio puente, se suele utilizar un diodo en paralelo con la resistencia de encendido para que el apagado sea rápido pero el encendido sea lento. De lo contrario, se pueden producir disparos, por razones que van más allá del alcance de este artículo. (Si tengo tiempo, escribiré una entrada en el blog sobre eso y publicaré un enlace a ella).