Comment réduire le délai de désactivation du MOSFET

Le titre dit tout dans les applications de commutation de signaux - en plus de choisir un appareil différent, comment puis-je réduire le délai de désactivation des MOSFET (canal N)? Existe-t-il quelque chose de similaire à la pince Baker utilisée pour les BJT?

Une porte et un pilote MOSFET ressemblent à ceci:

^{simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab}

$C_G$ est principalement la capacité de grille du MOSFET lui-même. Le pilote peut ajouter une certaine capacité, mais il est généralement négligeable.

$L_G$ et proviennent principalement du circuit de commande de porte. Les leads du MOSFET contribuent également, mais dans une moindre mesure.$R_G$

$R_G$ est également expressément ajouté dans certains circuits d' pour atténuer la résonance de et . Sans cet amortissement, la sonnerie peut entraîner une tension transitoire de la porte de M1 bien supérieure à la tension fournie par , dépassant parfois le maximum spécifié par le MOSFET et endommageant la grille.$L_G$$C_G$$V_{GS}$

Pour les temps de commutation les plus rapides possibles, vous voulez que tous ces éléments soient aussi courts que possible.

Minimiser est assez simple. N'ajoutez pas plus de résistance que nécessaire et ne rendez pas les traces de PCB trop fines. Vous voulez également que le pilote soit aussi proche que possible du MOSFET, et vous voulez qu'il soit quelque chose capable de couler et de fournir un courant élevé. La façon la plus simple de le faire pourrait être d'ajouter une paire push-pull BJT d'émetteurs suiveurs:$R_G$

^{simuler ce circuit}

Pour un exemple plus complexe, voir d' entraînement côté bas d'un pont de MOSFET à 3,3V . Bien sûr, il existe également des solutions intégrées.

S'il est plus important d'avoir un arrêt rapide que d'allumage rapide (courant dans les applications de pont en H), alors D1 peut être ajouté pour contourner principalement pendant l'arrêt, tout en conservant une grande partie de la capacité d'amortissement.$R_G$

Pour minimiser , compte non seulement de la longueur de la trace de la porte, mais également du chemin de retour de la source au pilote de porte. N'oubliez pas que le courant de charge de la porte doit traverser la porte et la source et revenir au conducteur. L'inductance de cette boucle est proportionnelle à la zone qu'elle encercle, et aux hautes fréquences, cette inductance limitera la vitesse de commutation beaucoup plus que la résistance . La pratique courante de mise en page consiste à avoir un plan de masse solide sous le MOSFET et le pilote, avec la trace de la porte aussi courte que possible sur elle. Lorsque vous devez connecter des couches avec des vias, incluez-en plusieurs, si possible, pour minimiser leur inductance effective.$L_G$$R_G$

N'oubliez pas que et incluent l'impédance d'alimentation. Assurez-vous que le pilote de portail est correctement alimenté en condensateurs de découplage d'alimentation. Utilisez plusieurs, en parallèle, pour maximiser la capacité et minimiser l'inductance.$L_G$$R_G$

$C_G$ ne peut pas être directement réduit, sauf en sélectionnant un MOSFET différent. Des MOSFET plus chers peuvent fournir moins de capacité de grille pour un inférieur ou une capacité de gestion de courant maximale. N'utilisez pas non plus un MOSFET avec une capacité de manipulation plus actuelle que nécessaire; vous le paierez en augmentant la capacité de la porte.$R_{DS(on)}$

La plupart des conceptions de pilote de grille peuvent également bénéficier de la commande de la grille à une tension négative . En appliquant une tension plus élevée à et , le courant deviendra plus élevé, plus rapide, conduisant à un plus élevé et donc une coupure plus rapide. Souvenez-vous également que plus vous augmentez , plus vous pouvez basculer rapidement, mais aussi la pire sonnerie sera.$L_G$$R_G$$\frac{di}{dt}$$\frac{di}{dt}$

Gardez également à l'esprit que si vous réussissez à désactiver très rapidement, vous risquez de tomber sur la limite votre MOSFET . Au fur et à mesure que la tension drain-source augmente, la capacité drain-gate et drain-body doit être chargée, ce qui signifie que le pilote de grille doit absorber ce courant de charge. Si ce n'est pas le cas, la tension de la grille peut augmenter suffisamment pour réactiver le MOSFET et, selon votre circuit, quelque chose de mauvais pourrait se produire. Habituellement, cela signifie un shoot-through pour les ponts en H.$\frac{dv}{dt}$

de International Rectifier - Bases du MOSFET de puissance

C'est une autre raison d'inclure D1 si vous avez intentionnellement ajouté .$R_G$

Le concept d'une pince boulangère peut également être appliqué à un MOSFET, simplement en ne conduisant pas le portail à une tension plus élevée que nécessaire. Cependant, contrairement aux BJT, les MOSFET subissent une diminution de lorsque augmente, il est donc utile d'augmenter au-dessus du seuil d'activation.$R_{DS}$$V_{GS}$$V_{GS}$

un exemple, pour 2N7000

Vous devrez calculer vos limites thermiques pour voir si vous pouvez gagner quelque chose ici, mais je dirais que si est suffisamment bas pour que vous n'ayez pas besoin de pousser la porte très haut, vous obtiendrez de meilleures performances en sélectionner un MOSFET différent avec une capacité de grille globale inférieure et un supérieur . En effet, la majeure partie de la charge que vous devez déplacer, et donc le temps que vous devez attendre pour s'allumer ou s'éteindre, est dépensée lorsque la tension de grille franchit la tension de seuil :$R_{DS}$$R_{DS(on)}$$V_{th}$

2N7000 à nouveau. La section plate au milieu est à .$V_{th}$

Augmenter la tension de grille au-dessus de prend relativement peu de charge, mais vous pouvez obtenir des réductions substantielles de .$V_{th}$$R_{DS}$

Ne pas essayer de rivaliser avec la réponse de Phil, car c'est vraiment bien. Mais, deux ou trois choses à penser.

Vous ne mentionnez pas le type de pièce que vous utilisez, mais si vous avez vraiment besoin de réduire le délai de désactivation, vous devrez peut-être utiliser une pièce montée en surface. Une partie d'un TO-220, par exemple, aura intégré dans le boîtier 7nH d'inductance et autant que 10 Ohms de résistance de grille dont vous ne pouvez rien faire. Alors qu'une pièce montée en surface aurait plus comme une inductance 3nH et une résistance de grille 3 Ohms, qui pourraient être commutées beaucoup plus rapidement.

En ce qui concerne l'extraction plus rapide de la charge de la grille, vous pouvez envisager d'ajouter un transistor de descente pnp à la grille du FET. Quelque chose comme ça:

Le transistor Q5 agit comme un pull down local à faible inductance qui divise toute résistance du circuit de grille amont par le transistor . C'est un peu comme l'idée de Phil d'utiliser la diode, sauf que vous bénéficiez du gain. $\beta$

Si vous souhaitez des directives quantitatives pour trouver la résistance de grille minimale à utiliser, vous pouvez consulter ce post.

Il existe un certain nombre de mesures que vous pouvez prendre pour accélérer la désactivation d'un MOSFET.

1) Utilisez un pilote de porte à impédance inférieure capable de décharger la capacité de la porte plus rapidement.

2) Si vous avez une résistance en série du pilote de porte à la porte, essayez de réduire la valeur de cette résistance.

3) S'il y a une résistance en série avec la grille du pilote, essayez de mettre un condensateur à travers cette résistance série. Cela peut accélérer la désactivation du FET à condition que le pilote ait une impédance suffisamment faible et que la constante de temps R / C de la paire résistance / condensateur permette au condensateur d'être déchargé avant la transition marche / arrêt.

4) Essayez de polariser le pilote de grille pour le FET de sorte que la grille oscille légèrement en dessous de la tension de source pendant et après la transition d'arrêt de la grille. Si la source est à GND, essayez d'obtenir la porte quelques centaines de millivolts en dessous de GND.

Mis à part ce que Michael Karas dit, il est inutile d'appliquer plus de tension de grille que ce dont vous avez besoin. C'est, de manière détournée, ce que la pince boulangère fait à un BJT.

Donc, vous constatez que pour activer correctement le FET, vous avez besoin (disons) de 5V mais vous appliquez 10V - 5 de ces volts doivent être "déchargés" avant que le FET ne commence la phase de désactivation.

Il est "facile" avec un BJT d'automatiser cela avec des diodes, mais si vous pouvez sélectionner exactement la tension de grille que vous devez appliquer (en fonction de la carte de circuit imprimé) et prendre en compte la température et d'autres choses (cela peut signifier que vous avez besoin d'un volt ou deux de plus ), alors vous pourriez économiser quelques nano secondes.