อะไรเป็นสาเหตุให้หัวเข่าใน MOSFET ของฉันคลายแรงดันตก

การปรับปรุงครั้งสุดท้าย: ทำความเข้าใจกับพลังลึกลับมอสเฟตที่เปลี่ยนก่อนหน้านี้รูปคลื่นสั่นคลอน! @Mario เปิดเผยสาเหตุของปัญหาที่นี่ด้านล่างซึ่งแตกต่างจากอุปกรณ์VDMOS ที่เรียกว่าMOSFET พลังงานจำนวนมากเช่น IRF2805

อัพเดท: พบเบาะแส! :)

@PeterSmith กล่าวถึงแหล่งข้อมูลที่ดีเยี่ยมในการทำความเข้าใจรายละเอียดค่าใช้จ่ายเกตในเอกสารข้อมูล MOSFET ในหนึ่งในความคิดเห็นด้านล่าง

ในหน้า 6 ในตอนท้ายของย่อหน้าที่สองมีการอ้างอิงผ่านไปยังแนวคิดที่ว่าจะคงที่ (หยุดการเปลี่ยนแปลงในฐานะฟังก์ชันของเมื่อ > 0 พูดถึงกลไก แต่ฉันคิดว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับที่หัวเข่า:$C_{GD}$$V_{DS}$$v_{GD}$$v_{GD}$

และ son-of-a-gun มันกลับกลายเป็นว่าสูงกว่า 0V$v_{GD}$

ดังนั้นหากใครเข้าใจว่ากลไกการขับขี่นั้นคืออะไรฉันคิดว่านั่นจะเป็นคำตอบที่ถูกต้อง :)

ฉันกำลังศึกษาลักษณะการสลับแบบมอสเฟตอย่างใกล้ชิดซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของการศึกษาตัวแปลงแบบสลับ

ฉันได้ตั้งวงจรอย่างง่าย ๆ เช่นนี้:

ซึ่งผลิตรูปแบบของคลื่น MOSFET นี้ในการจำลอง:

หัวเข่าจะปรากฏขึ้นในแรงดันไฟฟ้าไหลลงประมาณ 20% ลงในที่ราบสูงมิลเลอร์

ฉันสร้างวงจรขึ้น:

และขอบเขตยืนยันการจำลองค่อนข้างดี:

ฉันเชื่อว่าฉันเข้าใจการชน "ก่อนยิง" (ชาร์จปัจจุบันทำงาน "ย้อนกลับ" ผ่านตัวต้านทานโหลด) แต่ฉันก็ประหลาดใจกับวิธีพิจารณาที่หัวเข่าในแรงดันไฟฟ้าของท่อระบายน้ำที่ลดลง$C_{gd}$

คนที่มีประสบการณ์มากขึ้นด้วย MOSFET สามารถช่วยฉันเข้าใจไหม?

ความลาดชันของแรงดันท่อระบายน้ำขึ้นอยู่กับความจุของประตูระบายน้ำ Cgd ในกรณีที่ขอบตกทรานซิสเตอร์ต้องคายประจุ Cgd นอกจากกระแสโหลดสำหรับตัวต้านทานแล้วมันยังต้องจมกระแสที่ไหลผ่าน Cgd

โปรดจำไว้ว่า Cgd ไม่ใช่ตัวเก็บประจุแบบง่าย แต่เป็นตัวเก็บประจุแบบไม่เชิงเส้นที่ขึ้นอยู่กับจุดปฏิบัติการ ในความอิ่มตัวไม่มีช่องทางที่ด้านระบายของทรานซิสเตอร์และ Cgd เนื่องจากความจุทับซ้อนระหว่างประตูและท่อระบายน้ำ ในภูมิภาคเชิงเส้นช่องทางขยายไปทางด้านระบายและ Cgd มีขนาดใหญ่กว่าเพราะตอนนี้ประตูความจุขนาดใหญ่ไปยังช่องทางความจุอยู่ระหว่างประตูและระบายน้ำ

เมื่อทรานซิสเตอร์เปลี่ยนระหว่างความอิ่มตัวและภูมิภาคเชิงเส้นค่าของ Cgd จะเปลี่ยนไปดังนั้นจึงเป็นความชันของแรงดันไฟฟ้า

การใช้ LTspice Cgd สามารถตรวจสอบได้โดยใช้การจำลอง "จุดปฏิบัติการ DC" ผลลัพธ์สามารถดูได้โดยใช้ "ดู / บันทึกข้อผิดพลาดเครื่องเทศ"

สำหรับ Vgs ที่ 3.92V Cgd นั้นประมาณ 1.3npF เพราะ Vds นั้นสูง

   Name:          m1
Model:      irf2805s
Id:          1.70e-02
Vgs:         3.92e+00
Vds:         6.60e+00
Vth:         3.90e+00
Gm:          1.70e+00
Gds:         0.00e+00
Cgs:         6.00e-09
Cgd:         1.29e-09
Cbody:       1.16e-09

สำหรับ Vgs ที่ 4V Cgd นั้นใหญ่กว่ามากที่ประมาณ 6.5nF เนื่องจาก Vds ที่ต่ำกว่า

Name:          m1
Model:      irf2805s
Id:          5.00e-02
Vgs:         4.00e+00
Vds:         6.16e-03
Vth:         3.90e+00
Gm:          5.15e-01
Gds:         7.98e+00
Cgs:         6.00e-09
Cgd:         6.52e-09
Cbody:       3.19e-09

การเปลี่ยนแปลงของ Cgd (ระบุว่า Crss) สำหรับการให้น้ำหนักที่แตกต่างกันสามารถดูได้ในพล็อตด้านล่างที่นำมาจากแผ่นข้อมูล

IRF2805 เป็นทรานซิสเตอร์ VDMOS ที่แสดงพฤติกรรมที่แตกต่างสำหรับ Cgd จากอินเทอร์เน็ต :

MOSFET (VDMOS) ที่กระจายตัวเป็นแนวดิ่งคู่แบบแยกส่วนนิยมใช้ในอุปกรณ์จ่ายไฟแบบสวิตช์บอร์ดระดับมีพฤติกรรมที่มีคุณภาพแตกต่างจากรุ่น MOSFET แบบเสาหินด้านบน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง (i) ร่างกายไดโอดของทรานซิสเตอร์ VDMOS เชื่อมต่อกับขั้วภายนอกต่างจากไดโอดซับสเตรตของเสาหิน MOSFET และ (ii) ความจุเกตของประตูระบาย (Cgd) ไม่สามารถสร้างแบบจำลองเชิงเส้นอย่างง่ายได้ ความจุของโมเดลมอสเฟตแบบเสาหิน ในทรานซิสเตอร์ VDMOS, Cgd จะเปลี่ยนแปลงเกี่ยวกับแรงดันเกต - ศูนย์ (Vgd) ทันที เมื่อ Vgd เป็นค่าลบ Cgd จะเป็นตัวเก็บประจุที่มีประตูเป็นอิเล็กโทรดหนึ่งและท่อระบายน้ำที่ด้านหลังของแม่พิมพ์เหมือนกับอิเล็กโทรดอื่น ๆ ความจุนี้ค่อนข้างต่ำเนื่องจากความหนาของแม่พิมพ์ที่ไม่นำไฟฟ้า แต่เมื่อ Vgd เป็นค่าบวก ตายคือการดำเนินการและ Cgd ขึ้นอยู่กับตัวเก็บประจุที่มีความหนาของประตูออกไซด์ ตามเนื้อผ้าวงจรย่อยที่ซับซ้อนถูกนำมาใช้เพื่อทำซ้ำพฤติกรรมของ MOSFET พลังงาน อุปกรณ์เครื่องเทศที่แท้จริงใหม่ถูกเขียนขึ้นที่ห่อหุ้มพฤติกรรมนี้เพื่อผลประโยชน์ของความเร็วในการคำนวณความน่าเชื่อถือของการลู่เข้าและแบบจำลองการเขียนที่เรียบง่าย โมเดล DC เหมือนกับ MOSFET ระดับที่ 1 ยกเว้นว่าความยาวและความกว้างเป็นค่าเริ่มต้นที่หนึ่งเพื่อให้การแปลงค่าสามารถระบุได้โดยตรงโดยไม่ต้องปรับสเกล รุ่น AC มีดังต่อไปนี้ ความจุของเกต - เกตถูกใช้เป็นค่าคงที่ นี่คือสังเกตุว่าเป็นการประมาณที่ดีสำหรับมอสเฟตต์กำลังไฟฟ้าหากแรงดันไฟฟ้าเกตแหล่งที่มาไม่ได้ถูกขับเคลื่อน ความจุประตูระบายน้ำตามรูปแบบที่พบสังเกตุต่อไปนี้:

สำหรับ Vgd ที่เป็นบวก Cgd จะแปรเปลี่ยนตามไฮเพอร์โบลิกแทนเจนต์ของ Vgd สำหรับ Vdg เชิงลบ Cgd แปรเปลี่ยนตามอาร์กแทนเจนต์ของ Vgd พารามิเตอร์โมเดล a, Cgdmax และ Cgdmax ทำพารามิเตอร์ความจุของการระบายน้ำเกท ความจุแหล่งระบายน้ำถูกจัดหาโดยความจุอย่างช้าๆของไดโอดร่างกายที่เชื่อมต่อข้ามขั้วไฟฟ้าระบายแหล่งภายนอกนอกต้านทานและระบายความต้านทาน

ในไฟล์โมเดลสามารถพบค่าต่อไปนี้

Cgdmax=6.52n Cgdmin=.45n

UPDATE: Mario ได้คำตอบที่ถูกต้องด้านบนดังนั้นปล่อยให้เรื่องนี้เป็นที่สนใจในอดีต พฤติกรรมนี้ดูเหมือนว่าจะมีทุกอย่างเกี่ยวกับการเป็น VDMOS (เช่นเดียวกับ MOSFET พลังงานที่ฉันรวบรวม) ซึ่งอาจอธิบายได้ว่าทำไมทรัพยากร MOSFET ทั่วไปจำนวนมาก (ซึ่งมีแนวโน้มที่จะมุ่งเน้นไปที่เสาหินมอสเฟต)

ตกลงเช่นเดียวกับที่ฉันกำลังจะยอมแพ้ในการทำความเข้าใจนี้ interwebs ได้ให้ฉันชิ้นอาหารอันโอชะ:

นี่คือจากแอปพลิเคชัน IXYS หมายเหตุ AN-401 , หน้า 3

ไม่มีคำอธิบายของฟิสิกส์ของอุปกรณ์ที่อยู่เบื้องหลังสิ่งนี้ แต่ตอนนี้ฉันก็พอใจแล้ว เส้นโค้งนี้จะอธิบายการผันที่ฉันเห็น

$V_{GS}$$V_{DS}$$V_{GD}$$V_{GS} - V_{DS}$$V_{GD}=0$

หากใครมีการอ้างอิงหรือรู้ฟิสิกส์ดีพอที่จะอธิบายเส้นโค้งข้างต้นฉันจะขอบคุณมาก ฉันจะให้คุกกี้คำตอบที่ถูกต้องกับทุกคนที่สามารถ :)

ฉันมีคำถาม: ทำไมความชันควรเป็นเชิงเส้น?

ในความเป็นจริงในช่วง 150 ns ของ Miller Plateau ความต้านทานของช่อง MOSFET ลดลงจากแทบไม่มีที่สิ้นสุดไปจนถึงค่าที่น้อยมาก แม้จะลดลงเป็นเส้นตรงแรงดันเอาต์พุตของตัวแบ่งที่เกิดขึ้นจาก R = 100 โอห์มและ R DS ของ MOSFET ไม่เชิงเส้น

และมีการพึ่งพา R DS แบบไม่เป็นเชิงเส้นบนประจุเกต คุณไม่สามารถหาได้ในเอกสารข้อมูลทางเทคนิค แต่เรารู้ว่าไม่ใช่เชิงเส้น

ดังนั้นพฤติกรรมนี้เป็นธรรมชาติ

ในใจของฉันคุณมีการตั้งค่าการทดสอบที่ดีจริง ๆแต่มันไม่ดีที่จะขับ MOSFET พลังงานจากแหล่ง 50 โอห์มในวงจรพลังงานจริง