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

Question

Una regla general que se escucha cuando se aprende Ingeniería Eléctrica es que la corriente de puerta de un MOSFET es siempre aproximadamente 0. ¿Cuándo no es seguro asumir que es 0?

Answer 1

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

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

Answer 2

La excepción más importante no suele ser la fuga estática, sino cuando se carga o descarga la capacitancia de la puerta para encenderla o apagarla.

Normalmente se necesitan corrientes de puerta de entre 0,1 y 1 amperio para cargar y descargar la capacitancia de la puerta en tiempos útiles.

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

Por eso son necesarios los controladores de puerta y por eso no se puede simplemente accionar la puerta de un MOSFET a altas frecuencias desde una clavija de microcontrolador que suele ser capaz de suministrar de 1 a 30 mA, incluso cuando se cumplen bien los requisitos de tensión.

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Relacionado - Corrientes de accionamiento de la puerta del MOSFET:

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

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

Utilizando el selector paramétrico de Digikeys, acabo de subsumir MOSFETS de canal N de 60-100 Vds y 10-20 Amp Ids.
La carga de la puerta era tan baja como 3,4 nC y la capacidad de entrada = 256 pF y
hasta 225 nC con una capacidad de entrada de 5700 pF
con un cuartil medio inferior = 18 nC y 870 pF y
cuartil medio superior = 46 nC y 1200 pF

Esa carga tiene que ser "bombeada" dentro y fuera de la capacitancia de la puerta.
Si estás haciendo PWM a, digamos, 10 kHz, entonces 1 ciclo = 100 uS, así que esperarías que los tiempos de conmutación fueran una pequeña fracción de eso. Si quieres cargar o descargar unos pocos nF a/desde cero a típicamente 3V a 12V entonces tener al menos 100's de mA de impulso es una necesidad.

1 culombio = 1 amperio por segundo, por lo que 10 nC requieren 1 A de media para 0,01 uS o 0,1A de media para 0,1 uS. El horrendo MOSFET atípico de arriba con 225 nC de carga en la puerta tardaría 0,225 uS en 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 "sepcial - es un Dispositivo de modo de agotamiento de 100V 16A que suele estar encendido sin tensión de puerta y requiere una tensión de puerta negativa para apagarlo. Sin embargo, uno puede ser "atrapado" por ejemplo esta pieza de 60V, 20A con una carga de puerta de más de 100 nC.

Esta parte más normal de 60V 14A tiene 18 nC de carga máxima en la puerta. ¡Condúcelo desde un pin del puerto del microcontrolador a 10 mA y tardará ! 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 es "adecuadamente conducido", querrías algo mejor que ~ 2 uS de carga de puerta para conmutarlo en cualquier lugar cerca de sus límites superiores.

Ejemplo:

Conductor de puerta de lado alto de 200 nS:

La fuente de este circuito no es segura - a través de un miembro de PICList creo. Puedo comprobarlo si a alguien le interesa. Tenga en cuenta que este circuito es considerablemente más "inteligente" de lo que puede parecer. (Olin es aficionado a la disposición de la entrada utilizada aquí). La oscilación de ~= 3V a través de R14 provoca una oscilación de unos 15V sobre R15, por lo que las bases de Q14/Q15 oscilan de +30V a unos +15V, proporcionando ~ 15V si la puerta del lado alto conduce al MOSFET del canal P.

Answer 3

Consulta la hoja de datos. Para este MOSFET especifican una corriente de fuga de la puerta a la fuente de un máximo de 100nA. Si estás manejando el FET desde un amplificador óptico, por ejemplo, probablemente puedas ignorar esto. Si estás usando un voltaje estático con una carga muy baja, los 100nA pueden ser demasiado. Todo depende de tu aplicación, pero en la mayoría de los casos esta corriente estática será insignificante. El encendido y apagado provocará un pico de corriente mucho mayor para cargar y descargar la capacitancia de la puerta.

Answer 4

Situación hipotética: digamos que se quiere implementar la instrumentación/detección de tensiones generadas por cargas muy pequeñas. (Cargas que podrían ser drenadas incluso por una corriente diminuta a través de una impedancia muy alta).

Answer 5

A continuación se muestran algunas formas de onda que indican algunas de las naturalezas transitorias de un gran MOSFET. La corriente de puerta se eleva durante la conmutación y puede haber causado una caída en la tensión de accionamiento de la puerta aquí. (línea negra) .