Перейти к содержанию

Крутизна MOSFET (прямая проводимость gfs)

В даташите MOSFET строка Forward transconductance часто остаётся непрочитанной, хотя от неё зависят уровень плато Миллера, скорость переключения и поведение транзистора в линейном режиме. Разбираем, что такое крутизна и как ею пользоваться.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Крутизна (forward transconductance, gfs) — отношение приращения тока стока MOSFET к приращению напряжения затвор — исток в линейной (активной) области:

gfs=dIDdVGSg_{fs} = \frac{dI_D}{dV_{GS}}

Единица — сименс (А/В). TI в записке SLUA618 подчёркивает, что даже ключевой транзистор при каждом включении и выключении проходит линейный режим, где ток задаёт напряжение на затворе, поэтому крутизна влияет на переключение.

Значения в даташитах

Транзисторgfs, не менееУсловияVGS(th)
Vishay IRFZ4415 СмVDS = 25 В, ID = 31 А2,0–4,0 В
Vishay IRLZ4423 СмVDS = 25 В, ID = 31 А1,0–2,0 В

Крутизна сильно зависит от тока: число в таблице относится к указанной рабочей точке, а при малых токах она меньше. Подробнее о самих транзисторах — на странице IRF540, IRFZ44, IRLZ44.

Плато Миллера

В линейной области ток приближённо равен ID ≈ (VGS − Vth) · gfs. Отсюда TI выводит уровень плато Миллера — напряжения, на котором затвор «останавливается», пока перезаряжается ёмкость затвор — сток:

VGS,Miller≈Vth+IDgfsV_{GS,Miller} \approx V_{th} + \frac{I_D}{g_{fs}}

При пороговом напряжении 3 В, крутизне 15 См и токе 10 А плато будет около 3,7 В. Именно ток, который драйвер отдаёт при этом напряжении, а не его пиковый ток, определяет времена переключения. Заряд, нужный для прохождения плато, — часть заряда затвора Qgd.

Где ещё важна крутизна

  • Линейный режим. В источнике тока или электронной нагрузке крутизна задаёт, насколько точно затвор управляет током, и входит в устойчивость петли.
  • Эффект Миллера. Эквивалентная ёмкость затвора при резистивной нагрузке RL растёт как (1 + gfs · RL) · CGD — см. ёмкости MOSFET.
  • Температура. Порог Vth падает примерно на 7 мВ/°C, и на горячем транзисторе плато ниже, чем по расчёту при 25 °C.

Частые вопросы

Что означает крутизна 15 См у IRFZ44?

Что в рабочей точке VDS = 25 В, ID = 31 А ток стока меняется не меньше чем на 15 А при изменении напряжения затвор — исток на 1 В. Сименс — это ампер на вольт. Значение дано для конкретного тока: при меньшем токе крутизна MOSFET меньше, поэтому для других режимов смотрят графики передаточной характеристики.

Как по крутизне оценить плато Миллера?

По формуле TI: VGS,Miller ≈ Vth + ID/gfs. Для транзистора с порогом 3 В и крутизной 15 См при токе нагрузки 10 А плато будет около 3 + 10/15 ≈ 3,7 В. Это напряжение, на котором затвор задерживается при переключении, и именно ток драйвера при этом напряжении определяет скорость переключения.

Чем крутизна MOSFET отличается от коэффициента усиления биполярного транзистора?

Биполярный транзистор управляется током базы, и его усиление — безразмерное отношение токов. MOSFET управляется напряжением, поэтому его усиление выражают отношением тока стока к напряжению затвора — в сименсах. В ключевом режиме оба параметра нужны лишь для оценки переходных процессов: в открытом состоянии ток определяют сопротивление канала или насыщение.

Источники

  1. Texas Instruments. Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, SLUA618A (March 2017, revised October 2018) — разд. 2: крутизна — малосигнальное усиление MOSFET в линейной области; при каждом включении и выключении транзистор проходит линейный режим, где ток задаёт напряжение затвор — исток; gfs = dID/dVGS (ур. 6); ID = (VGS − Vth) · gfs (ур. 7); уровень плато Миллера VGS,Miller ≈ Vth + ID/gfs (ур. 8); Vth в даташите задан при 25 °C и малом токе (обычно 250 мкА) и не равен плато; температурный коэффициент Vth около −7 мВ/°C; эквивалентная ёмкость Миллера CGD,eqv = (1 + gfs · RL) · CGD (ур. 4)
  2. Vishay. IRFZ44, IRFZ44PbF Power MOSFET, doc. 91291 (S21-1045 Rev. C, 25-Oct-2021) — Specifications: gfs ≥ 15 См при VDS = 25 В, ID = 31 А (импульсно, 300 мкс, скважность 2 %); VGS(th) 2,0–4,0 В при ID = 250 мкА
  3. Vishay. IRLZ44, SiHLZ44 Power MOSFET, doc. 91328 (S21-1045 Rev. D, 25-Oct-2021) — Specifications: gfs ≥ 23 См при VDS = 25 В, ID = 31 А; VGS(th) 1,0–2,0 В

Нашли ошибку?

Смотрите также