Определение паразитных параметров полевого транзистора исходя из специфицированных данных.

В этом приложении приведем расчет основных параметров полевого транзистора (эквивалентных емкостей cgs, cgd, cds, общей энергии переключения, порога включения, уровня плато Миллера и, приблизительно, величину внутреннего последовательного сопротивления затвора) на примере транзистора IRFP450. Ниже приведена схема включения транзистора с управлением от уровня земли.

Выпишем необходимые для расчета параметры из спецификации на транзистор:

Vds,off = 380Vноминальное напряжение сток-исток в закрытом состоянии

Id = 5Aмаксимальный ток стока при полной нагрузке

Tj = 100°cрабочая температура кристалла

Vdrv = 13Vамплитуда сигнала управления

RGATE = 5Wсопротивление внешнего затворного резистора

RLO = LHI = 5Qвыходное сопротивление драйвера

A1 Емкости

Спецификация на IRFP450 дает следующие параметры:

Vgs = 0V Vds = 25V f = 1.0MHz

Теперь рассчитаем интересующие нас величины:

vds,specc 2 340pf \ 25v

Crss,ave = 2• Crss,spec \\crss,ave = 2- 340pF V 380V = l74pF

lvds,specC 2 „ 720pF „ I 25V

Coss,ave 2• Coss,spec \\ Vcrss,ave 2-720pF V t80V 369pF

Непосредственно величины емкостей можно найти из основных формул: cgd = crss,aveCgd = 174pF

Cgs = Ciss - CrssCgs = 2600pF - 340pF = 2260pF

Cds = Coss,ave - Crss,aveCds = 369pF - 174pF = 195pF

Заметим, что величина CGS найдена непосредственно из специфицированного параметра. Так же важно в одной формуле использовать значения, специфицируемые при одинаковых условиях. Необходимо всегда учитывать, что емкость CGS всегда постоянна, и не зависит ни от каких напряжений, в то время как емкости CGD и CDS зависят нелинейно от приложенного к ним напряжения. Они достигают своего максимального значения при отсутствии напряжения, и сильно уменьшаются при его увеличении.

A2 Заряд затвора

В спецификациях на транзисторы приводится наихудшее значение заряда затвора при конкретных значениях амплитуды управляющего сигнала, тока стока и напряжения сток-исток в выключенном состоянии. Вот что дает спецификация на IRFP450:

Id = 14A Vds = 400V Vgs = 10V

QG, Total Gate Charge (nC)

Откорректировать значение общего заряда при заданном напряжении исток-затвор можно с помощью соответствующей кривой, тоже приводимой в спецификации (рисунок справа).

На вертикальной оси отложим наше напряжение сток-исток (13 V) и проведем горизонтальную линию до пересечения с соответствующей кривой (интерполируя ее, если заданное напряжение сток-исток отличается от имеющейся кривой), и находим соответствующее значение общего заряда переключения.

Если же необходимо выяснить значение общего заряда более точно, то приходится вычислять все слагающие компоненты отдельно. Заряд затвор-исток может быть найден опять же из кривой на правом рисунку, только необходимо сначала выяснить точное значение плато Миллера. Заряд, необходимый для компенсации заряда Миллера может быть рассчитан исходя из найденной в A1 величины CRSS>AVE.

Наконец, компонент заряда, связанный с повышением напряжения сток-исток от уровня плато Миллера до напряжения питания схемы управления находится опять же с помощью кривой зависимость общего заряда от напряжения затвор-исток.

12) 122nC

А3. Пороговое напряжение и уровень плато Миллера

Как мы уже видели в предыдущей главе, и еще увидим далее, многие характеристики полевых транзисторов определяются порогом его включения и уровнем плато Миллера. Для расчета последнего можно использовать приводимые в спецификациях значения порогового напряжения затвор-исток Vth и крутизны характеристики gfs.

В спецификации на IRFP450 мы видим:

К сожалению, пороговое напряжение специфицируется слишком не точно, а приводимое значение крутизны характеристики справедливо только для малого сигнала. Поэтому для более точного определения значений порогового напряжения и уровня плато Миллера можно использовать приводимую в спецификациях типовую кривую передаточной характеристики.

По этой кривой для каждой температуры легко находится соотношение между током стока и напряжением затвор-исток. Откладываем на вертикальной оси нужный нам ток, проводим горизонталь до пересечения с соответствующей кривой, и по горизонтальной оси считываем напряжение затвор-исток. Аналогичным образом находится ток стока при заданном входном напряжении. Заметим, что точность определения входного напряжения по заданному току более точное - шкала напряжений затвор-исток линейна, а токов стока - логарифмична. Видно, что значения VGS1 и VGS2 определяются с гораздо более высокой точностью.

В нашем примере для 150°С будет:

Id1 = 3A Vgs1 = 4.13V ID2 = 20A

Vgs2 = 5.76V

vgs1 v gs2

SGate-to-Sourse Voltage (volts)

Пороговое напряжение и уровень плато Миллера могут быть рассчитаны как: 2

ID1 K - (VGS1 - VTH)

ID2 K - (VGS2 - VTH )

VGS1 WID2 - VGS2 - VDl

/ID2 -VID1

лг 4.13v • V20a - 5.76v-л/3а

v th -, -, - 3.1/5v

-V20a -V3a

(VGS1 - VTH)2

- 3.175V)2

= 3.169

GS,Miller

ILOAD K

VGS,Miller 3.157V + ,

5A 3.169

= 4.413V

Все эти значения рассчитаны для температуры перехода 150°С - мы использовали соответствующую кривую. Для нашей температуры в 100°С мы должны скорректировать значение порогового напряжение и величину плато Миллера:

AVadj (Tj - 150°C) • TC

DVADJ (100°C - 150°C) •! - 0.007

A4. Внутреннее сопротивление вывода затвора

Другой очень интересный параметр, значение которого не приводится в спецификациях - это внутреннее сопротивление вывода затвора RGI. Это сопротивление обусловлено суммарным сопротивлением цепей подсоединения затворов ячеек полевого транзистора к выводу. Поэтому сигнал управления распределяется между элементарными затворами по разным, хоть и очень близким, путям. Это приводит к некой разнице в скоростях переключения между ячейками полевого транзистора, в зависимости от расстояния между выводом затвора и собственно затворными областями кристалла.

Наиболее подходящим методом измерения Rg,i можно считать использование мостовой схемы измерения импеданса. В-принципе, этот метод идентичен классическому способу измерения ESR конденсатора. Мы соединяем вместе выводы затвора и стока, и подсоединяем к ним измеритель импеданса, установленный на измерение Rs-Cs (или, если прибор позволяет, Rs-Cs-Ls). И теперь мы можем найти значения последовательно соединенных паразитных компонентов Rg,i, входной емкости транзистора Ciss и паразитной индуктивности.

В нашем примере после измерения параметров транзистора IRFP450 с помощью прибора HP4194 было получено внутреннее сопротивление RG,I=1.6Q. Величина паразитной индуктивности оказалась равной 12.9nH, а входной емкости - 5.85nF.

CD □