Перейти к содержанию

Времена переключения MOSFET (td(on), tr, td(off), tf)

В даташите MOSFET есть четыре времени: задержки включения и выключения, нарастания и спада. Их измеряют в конкретной схеме с конкретным резистором в затворе, поэтому переносить числа в свою схему напрямую нельзя. Разбираем, что они означают.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Времена переключения MOSFET — четыре интервала, которыми даташит описывает переходные процессы при включении и выключении:

  • td(on), время задержки включения — от 10 % напряжения на затворе до момента, когда напряжение сток — исток спало до 90 %;
  • tr, время нарастания (rise time) — пока напряжение на стоке спадает с 90 % до 10 %, а ток нарастает;
  • td(off), время задержки выключения — от момента, когда напряжение на затворе спало до 90 %, до момента, когда напряжение на стоке выросло до 10 %;
  • tf, время спада (fall time) — пока напряжение на стоке растёт с 10 % до 90 %.

Уровни показаны на рисунке 10b даташита Vishay IRFZ44; так же их определяют и другие производители.

Пример из даташита

ПараметрIRFZ44IRLZ44
td(on)14 нс17 нс
tr110 нс230 нс
td(off)45 нс42 нс
tf92 нс110 нс
УсловияVGS = 10 В, Rg = 9,1 ОмVGS = 5 В, Rg = 4,6 Ом

Обе строки получены при VDD = 30 В и токе 51 А с резистивной нагрузкой в стоке. В реальной схеме — с индуктивной нагрузкой, другим драйвером и разводкой — времена будут другими.

От чего зависят

Затвор — это ёмкость, и переключение длится, пока драйвер затвора её перезаряжает. TI в записке SLUA618 разбивает процесс на интервалы и показывает, что потери возникают, пока ток растёт при полном напряжении (до плато Миллера) и пока напряжение спадает на плато. Их длительность — частное от заряда и тока драйвера:

t3≈CRSS⋅VDS,offIG3,IG3=VDRV−VGS,MillerRHI+RGATE+RG,It_3 \approx \frac{C_{RSS} \cdot V_{DS,off}}{I_{G3}}, \quad I_{G3} = \frac{V_{DRV} - V_{GS,Miller}}{R_{HI} + R_{GATE} + R_{G,I}}

Поэтому времена растут с сопротивлением в цепи затвора и уменьшаются с напряжением драйвера. Уровень плато зависит от крутизны и тока нагрузки, а нужный заряд — от ёмкостей MOSFET.

Потери

Пока транзистор проходит линейный режим, через него течёт ток при большом напряжении. Грубая оценка энергии за один фронт — половина произведения тока, напряжения и длительности фронта (ур. 13 в SLUA618); сумма по обоим фронтам, умноженная на частоту, даёт мощность. Для ключа на 30 В и 10 А с фронтами по 100 нс при 100 кГц это около 0,5 · 30 · 10 · 200 нс · 100 кГц = 3 Вт — больше, чем потери проводимости во многих схемах. Схема ключа разобрана на странице MOSFET-ключа.

Частые вопросы

Можно ли посчитать потери на переключение по tr и tf из даташита?

Только грубо. Времена в даташите измерены в испытательной схеме с конкретными резистором затвора, напряжением и током. Если в вашей схеме драйвер слабее или резистор больше, фронты будут длиннее. Точнее оценивать по заряду затвора и току драйвера на плато Миллера, как предлагает TI в записке SLUA618, а потом проверять осциллографом.

Почему у IRLZ44 время нарастания больше, чем у IRFZ44?

Потому что условия испытания разные. IRLZ44 измерен при напряжении затвора 5 В, IRFZ44 — при 10 В, и у них разные резисторы затвора. Меньшее напряжение драйвера даёт меньший ток заряда затвора на плато Миллера, поэтому фронт длиннее: 230 нс против 110 нс. Сравнивать транзисторы по этим строкам можно только при одинаковых условиях.

Что такое время задержки выключения?

Это время от начала спада напряжения на затворе (уровень 90 %) до начала роста напряжения на стоке (уровень 10 %). Пока оно идёт, затвор разряжается от полного напряжения драйвера до плато Миллера, и транзистор ещё полностью открыт. У IRFZ44 в испытательной схеме — 45 нс.

Источники

  1. Vishay. IRFZ44, IRFZ44PbF Power MOSFET, doc. 91291 (S21-1045 Rev. C, 25-Oct-2021) — Specifications, Dynamic: td(on) 14 нс, tr 110 нс, td(off) 45 нс, tf 92 нс (типовые) при VDD = 30 В, ID = 51 А, Rg = 9,1 Ом, RD = 0,55 Ом; Qg ≤ 67 нКл, Qgd ≤ 25 нКл; рис. 10a — схема испытания с резистором в стоке, рис. 10b — отсчёт времён по уровням 10 % и 90 % VGS и VDS
  2. Vishay. IRLZ44, SiHLZ44 Power MOSFET, doc. 91328 (S21-1045 Rev. D, 25-Oct-2021) — td(on) 17 нс, tr 230 нс, td(off) 42 нс, tf 110 нс (типовые) при VDD = 30 В, ID = 51 А, Rg = 4,6 Ом, RD = 0,56 Ом, VGS = 5 В
  3. Texas Instruments. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, SLUA618A (March 2017, revised October 2018) — разд. 2.3: потери переключения возникают в интервалах 2 и 3, когда на транзисторе одновременно ток и напряжение; длительность определяет ток драйвера около плато Миллера, а не пиковый ток; IG2 = (VDRV − 0,5 · (VGS,Miller + VTH))/(RHI + RGATE + RG,I), IG3 = (VDRV − VGS,Miller)/(RHI + RGATE + RG,I) (ур. 11); t2 ≈ CISS · (VGS,Miller − VTH)/IG2, t3 ≈ CRSS · VDS,off/IG3 (ур. 12); P2 = t2/T · VDS,off · IL/2 (ур. 13)

Нашли ошибку?

Смотрите также