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學(xué)技術(shù) | Infineon MOSFET的參數(shù)密碼--Vplateau

大大通 ? 2022-11-04 10:46 ? 次閱讀

邪惡的一面我們稱:「魔鬼藏在細(xì)節(jié)里」;

善良的一面我們稱:「天使藏在細(xì)節(jié)里」。

不管之前有沒有被魔鬼陷害到——尤其是低壓控制的領(lǐng)域,今天魚干我要講的是細(xì)節(jié)里的天使,希望可以讓被魔鬼挖坑跳進去的哈味(Hardware)工程師門可以爬出魔鬼挖的坑。其實這個坑是很多人都知道的,只是不曉得如何巧妙避開的個中訣竅,魚干我也是曾經(jīng)掉在這個坑內(nèi)很久爬不出來、抓破頭皮想破頭不曉得是怎么跌進坑的@_@”

今天要說的,在高壓(>5V)的應(yīng)用不太會構(gòu)成什么大問題,但若是應(yīng)用在低壓(尤其是MCU Logic level應(yīng)用的)就要特別注意MOSFET的選型了,否則會在驅(qū)動的時候產(chǎn)生過高的損失(切換損與導(dǎo)通損)。

MOSFET Gate電容分布示意:

21a339c4-5ac6-11ed-b116-dac502259ad0.png

MOSFET Data sheet內(nèi)有標(biāo)示:CISS、COSS和CRSS,

其中:

CISS = CGS + CGD;

COSS = CDS + CGD;

CRSS = CGD.

但由于這些容值與電壓變化有關(guān),因此最好根據(jù)Gate Charge參數(shù)內(nèi)來計算適當(dāng)?shù)拈_與關(guān)的值(電流與速度)。

下圖為Logic level MOSFET ISC0806NLS data sheet

21b7dae6-5ac6-11ed-b116-dac502259ad0.png

有沒有發(fā)現(xiàn)萬綠叢中的一點紅?那么多Qxx內(nèi)就出現(xiàn)那么一個完全不一樣的Vplateau?對啦!那個參數(shù)就是這一整篇想要去找的、傳說中的”天使”~ Vplateau到底在Gate Charge的整個圖表內(nèi)占了什么樣的角色與份量?

有沒有看到下列圖表內(nèi)的QGD那個平臺?對!就是那個平臺--傳說中的Vplateau也就是眾所皆知的米勒平臺,說穿了好像也沒什么了不起^_^||

21db1db2-5ac6-11ed-b116-dac502259ad0.png

從上面的圖表我們可以得知:

Gate電壓從:

QGS charge階段:

t0 -> t1 VGS到達(VG(TH))時,IDrain開始流動;

t1 -> t2 VGS到達Vplateau電壓時QGS結(jié)束、IDrain達到飽和、VDS開始往下降;

QGD charge階段

t2 -> t3 VGS對CGD充電

t3 -> t4 QGD結(jié)束、VGS上升到最高電壓后,整個QG結(jié)束

若是在5V Logic level的控制系統(tǒng)中又不外掛一個Gate Driver IC,選用了Vplateau >5V的MOSFET會發(fā)生什么事呢^_^?

如果datasheet內(nèi)沒有明確的標(biāo)示出Vplateau怎么辦呢?沒關(guān)系,我們再去找一張Gate charge的圖表(一定會有),圖表內(nèi)的那個平臺約略也可以顯示出Vplateau這個值:

21f70950-5ac6-11ed-b116-dac502259ad0.png

從下圖可以看出VGS對應(yīng)到IG的圖標(biāo)(理想波形)與右側(cè)展開后的波形:

220a5a5a-5ac6-11ed-b116-dac502259ad0.png

[ VDRIVER(red)、VGS(green)、IG(blue)]

將上圖展開后可以看到VDRIVE,VGS,IG的細(xì)節(jié)可以發(fā)現(xiàn),依照QG公式計算出的電流并非全時直流,而是瞬時直流:

因此可以表示為:

222b9800-5ac6-11ed-b116-dac502259ad0.png

由上式可以將R再簡化為RG-ext + RG-int

某些較快速之MOSFET內(nèi)部會再串入一個低阻值的RG以避免切換速度過快造成MOSFET損壞。

RG-ext則是我們自由設(shè)定的;

VDRIVE則是Gate Driver IC的輸出電壓(也可以是Totem pole輸出)

因此可以再簡化為:

iG=(VDRIVER–VGS)÷(RG-ext + RG-int)

以ISC0806NLS為例:

RG-int =1.2 ohm

VGS(th)= 2.3V

RG-ext = 5.6 ohm

VDRIVE =5V

iG=(5V–2.3V)÷(1.2 ohm + 5.6 ohm)= 397mA

選擇Gate Driver IC時可以滿足這個電流即可,因為根據(jù)電容瞬時電流特性,此397mA只出現(xiàn)在很短暫的時間內(nèi)。

PDRIVE = QG x VG x fsw

由上式可以得知:任一個數(shù)據(jù)越高Pd就會越高,但通常QG與VG是不會變的,會變的通常是工作頻率fsw

以ISC0806NLS為例:

QG =49nC(max)

VG = 5V

Fsw = 100KHz

Pd =49nC x 5V x 100KHz =24.5mW

假設(shè)我們將fsw提高到500KHz:

Pd =49nC x 5V x 500KHz =122.5mW

Pd增加了5倍,因此在散熱方面就必需留意。

為了不讓整個計算顯得太復(fù)雜,魚干我將整個電流計算給簡化了,就像我們通常在G-S端并聯(lián)1個10Kohm來防止電源投入瞬間造成MOSFET短路損壞。但,為什么是10K?為什么不是1K或是100K?

其實這個RG-S是有計算式可以精算出的,只是萬一要更換MOSFET因為Ciss不同就得一并更換電阻那就復(fù)雜了,電流的這個公式也是相同的道理,已知驅(qū)動電流0.5A的GD已經(jīng)夠用,我們就不需要去選一個相對較貴的3A的GD對吧?

但是,在實際的PCB布線上還存在著預(yù)期外、但又真實存在的雜散電感與電容如下圖:

224183e0-5ac6-11ed-b116-dac502259ad0.png

諸如此類的細(xì)節(jié)將待有機會再繼續(xù)深入探討,因為有驅(qū)動上升與下降時間常數(shù)的問題,速度太慢切換損變高(QG)速度太快會有EMI的問題…

有關(guān)于動態(tài)特性咱下次再聊~

<本篇完>

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