您在学习电气工程时听到的一个常见经验法则是 MOSFET 的栅极电流始终约为0。什么时候假设它为 0 是不安全的?
MOSFET:我们什么时候不能假设栅极电流为 0?
在瞬态条件下,栅极电流将不为零,因为您需要对栅极电容充电(或放电),这需要电流。栅极电流越大,栅极电压变化越快,器件开关越快。一旦完成开关转换,栅极电流就会接近零(主要是漏电流)。
对于低开关 (PWM) 频率,rms 栅极电流会很低。较高的开关频率将增加均方根电流。
最重要的例外通常不是静态泄漏,而是在对栅极电容进行充电或放电以将其打开或关闭时。
通常需要大约 0.1 到 1 安培的栅极电流来快速对栅极电容进行充电和放电。
太快会导致额外的损失。
太慢会导致 FET 在关断和硬导通之间处于有源电阻状态,并且相对于通过适当设计可以实现的能量消耗非常大量的能量。
这就是为什么需要栅极驱动器的原因,以及为什么您不能只从通常能够提供 1 至 30 mA 电流的微控制器引脚以高频驱动 MOSFET 栅极,即使在电压要求得到很好满足的情况下也是如此。
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相关 - MOSFET 栅极驱动电流:
通常不理解以 10 kHz 以上开关频率的 MOSFET 可能需要 0.1A - 1A 范围内的栅极驱动电流来实现足够的开关时间——这在一定程度上取决于应用。在该范围的较高端的许多 10 kHz 栅极驱动将是常见的。
MOSFET 数据表指定栅极电荷和栅极电容。电容通常在“几纳法”范围内,栅极电荷通常为几十纳库仑,输入电容通常为纳法或几。
使用 Digikeys 参数选择器,我只是对 60-100 V Vds 和 10-20 Amp Ids 的 N 通道 MOSFET 进行了子集化。
栅极电荷低至 3.4 nC 和输入电容 = 256 pF,
高达 225 nC,输入电容为 5700 pF
,底部中位数四分位数 = 18 nC 和 870 pF,
顶部中位数四分位数 = 46 nC 和 1200 pF
该电荷必须被“泵入”和“泵出”栅极电容。
如果您以 10 kHz 的频率进行 PWM,则 1 个周期 = 100 uS,因此您希望切换时间只是其中的一小部分。如果您想将几个 nF 充电或放电到/从零到通常为 3V 到 12V,那么至少有 100 毫安的驱动是必要的。
1 库仑 = 1 安培秒,因此 10 nC 需要 1 A 平均值用于 0.01 uS 或 0.1A 平均值用于 0.1 uS。上面带有 225 nC 栅极电荷的可怕异常 MOSFET 在 1A 下充电需要 0.225 uS,在 0.1A 下充电需要 2.25 uS。这个 FET 比大多数都差得多的原因是 i 是“特殊的 - 它是一种100V 16A 耗尽模式器件,通常在没有栅极电压的情况下开启,并且需要负栅极电压才能将其关闭。但是,仍然可以”被这个 60V、20A 的部件和 100+ nC 栅极电荷捕获。
这个更正常的 60V 14A 部件具有 18 nC 的最大栅极电荷。从微控制器端口引脚以 10 mA 驱动它,它将需要!1.8 uS 为栅极电容器充电 - 在 10 kHz 时可能可以接受,而在 100 kHz 时非常糟糕。当“正确驱动”时,上升和下降开关时间分别为 110 和 41 nS,您希望在接近其上限的任何地方切换它的栅极充电时间要好于 ~ 2 uS。
例子:
200 nS 高侧栅极驱动器:
该电路的来源不确定 - 我认为是通过 PICList 成员。可以检查是否有人关心。请注意,该电路比明显的要“聪明”得多。(Olin 喜欢这里使用的输入安排)。R14 上的 ~= 3V 摆幅导致 R15 的摆幅约为 15V,因此 Q14/Q15 基极的摆幅从 +30V 到约 +15V,如果高端栅极驱动到 P 沟道 MOSFET,则提供 ~15V。
检查数据表。对于这个 MOSFET,他们指定了最大 100nA 的栅源漏电流。例如,如果您从运算放大器驱动 FET,您可能会忽略这一点。如果您使用的是带有非常低电荷的静态电压,则 100nA 可能太多了。这完全取决于您的应用,但在大多数情况下,这种静态电流可以忽略不计。打开和关闭将导致更大的电流峰值对栅极电容进行充电和放电。
假设情况:假设您想要实现由非常微小的电荷产生的电压的仪器/感应。(即使是通过非常高阻抗的微小电流也可能耗尽电荷。)