Вопрос по Rise time, Fall time, Delay time транзистора

[shaxel]

Приветствую, друзья!
Изучаю даташит мосфета. Разбираюсь во временах:
Rise time, Fall time - я так понял, что это максимально короткое возможное время открытия и закрытия транзистора, при условии что драйвер затвора будет отдавать достаточный ток. И еще нигде не нашел от чего эти времена зависят. Получается, что это просто производственная ("природная") характеристика, которую невозможно преодолеть? Если все так, то с этим понятно. Но тогда непонятна такая характеристика как крутизна S. Какая бы не была S, мне все равно не открыть и не закрыть транзистор быстрее чем позволяет Rise time, Fall time? Правильно ли что S показывает лишь какой будет кривая тока в течение этих времен? Или, например коммутирую я 20А. Если S очень велика, то ток сток-исток достигнет 20А например за 5 нс, причем транзистор еще не полностью открылся, но для меня это не важно, ток достиг своего максимума? То есть при большой крутизне S за время Rise time, Fall time я бы смог теоретически скоммутировать например 300А, но т.к. у меня только 20А, я не смотрю на времена, а только на S? Но блин, при неполном открытии сопротивление мосфета велико, получается выигрываю во времени и теряю в тепловых потерях? Читая гугл только такая картина пришла на ум.
Есть еще Delay time, вот с ними не совсем понятно. Это задержка, но какая? Например Turn-off delay time = 214 нс. То есть, если транзистор открылся за 18 нс и я тут же начинаю высасывать заряд затвора, то что, транзистор зависнет при нулевом потенциале на затворе, и только спустя 214 нс начнет закрываться? Бред какой-то...
Вот у меня практическая задача: имеется промежуток времени 330 нс, мне надо скоммутировать 10А при 24В, причем рассчитываю получить фронты на уровне по 20-30нс, остальное время - рабочее. Если Turn-off delay time у транзистора 500нс, то я никак не помещусь в эти рамки?
Так как мне выбрать быстрый мосфет при условии что у меня есть офигенно мощный драйвер? Только на времена смотреть, если да, то на какие?

[Dmitriy40]

Подозреваю если посмотреть Figure 14, то там будет чётко нарисована и схема, и как измеряются эти параметры, на диаграмме Switching Time Waveforms.
Обе задержки - грубо говоря сколько времени надо чтобы с затвора или на него перетекло достаточно заряда для закрывания/открывания канала на 10% (по напряжению).
Время фронта и спада - сколько после этого транзистор ещё будет закрываться/открываться до достижения напряжения на канале 90%/10%.
И все эти 4 времени не равны нулю из-за ёмкости затвора и резистора в цепи затвора.
Подчеркну, эти времена - лишь для указанной схемы включения! С резистором 4.7Ом в цепи затвора.

Если у вас есть более мощный генератор тока, то считаете по нему времена заряда/разряда ёмкости затвора до величин плато Миллера ($Q_{gs}, Q_{gd}, Q_g$) - это и будут ваши времена: задержки до начала протекания тока (больше тока утечки), рост тока до заданной величины (цифру смотреть в условиях на величины этих зарядов), дальнейшее уменьшение сопротивления канала. При закрытии в обратном порядке.
Крутизна вам думаю не нужна, она вроде бы показывает скорость изменения тока в канале при изменении напряжения на затворе после окончания плато Миллера.
Так что если хотите открыть транзистор за 30нс, обеспечьте заряд его затворной ёмкости до величины как минимум $Q_{gd}$ за это время. Если важно сопротивление открытого канала, то лучше до величины $Q_g$ и напряжения 10В (обычно именно при нём даётся сопротивление канала). Если не лезть в единицы нс, то этого достаточно. Можно и не до 10В, но тогда смотрите по графикам какое будет сопротивление канала при вашем напряжении (и не забываем про зависимость от температуры).

[realeugene]

(Оффтоп)

Какой восхитительный случай домысливания отсебятины всесто того, чтобы нагуглить документацию с правильными определениямри терминов.

[Dmitriy40]

(Оффтоп)

realeugene
Зачем гуглить если я открыл pdf на irfz44 и в нём посмотрел схемы, диаграммы и условия измерений всех этих параметров? Или я в чём-то ошибся (кроме крутизны, вот про неё не уверен)?

[realeugene]

(Оффтоп)

Dmitriy40 в сообщении #1428572 писал(а):

кроме крутизны, вот про неё не уверен

Ага. Крутизна - это параметр на постоянном токе в линеаризованной модели.

[shaxel]

Посмотрел график 14, стало более понятно. Надо пару дней над этим подумать, поэкспериментировать. Благо готовая схема и осциллограф есть, буду разбираться. Самое главное что мне стало понятно, что я могу влезть во временной промежуток Rise time, Fall time, Turn-off delay time - это миннимум работы транзистора. А вот управляющий сигнал на затвор при этом надо сделать немного шире (лайфхак такой) - добавить время Turn-on delay time.

[Dmitriy40]

(Оффтоп)

realeugene
Ну, в усилительных включениях я полевики не применяю, да и тут вопрос о переключении, так что крутизна по моему тут вообще не нужна, так что не страшно. В аналоговое/усилительное включение я бы и не влезал.

-- 02.12.2019, 16:37 --

shaxel
Т.е. Вы поставите тоже 4.7Ом в затвор и минимум 2А драйвер затвора от 10В? И под напряжением 300В и токе до 20А в канале? Тогда у вас полевик начнёт открываться через 99нс, откроется за 18нс, закрываться начнёт через 214нс (если $V_{gs}$ достигнет 10В), закроется за 25нс.

В других же случаях ориентироваться надо не на времена, а на заряд затвора, напряжение на нём и сопротивление канала. Да, и ёмкость затвора пересчитать от напряжения сток-исток.

-- 02.12.2019, 16:53 --

Вопрос о максимальной частоте переключения сильно сложнее, например может устроит не открывать транзистор до насыщения, а ограничиться скажем десятикратным от минимального сопротивлением канала, тогда можно передавать в затвор меньше заряда, что можно сделать быстрее. Если при этом останемся в пределах плато Миллера, то Turn-off delay time учитывать не надо.
А если разряжать затвор не до нуля, а только до начала плато Миллера (т.е. до чуть меньше $V_{gs}$), то скорость ещё увеличится (за счёт сокращения Turn-on delay time).
А если не подбирать все эти величины для каждого экземпляра транзистора, а заложиться на их возможный разброс - заряды и времена придётся увеличивать обратно.

[EUgeneUS]

Dmitriy40
Вы, конечно, правы в том, что время нарастания напряжения на затворе критически важно.

Но, имхо, несколько ошибаетесь в трактовке обсуждаемых параметров. Например, $t_{d(on)}$ - это задержка между моментом, когда $Vgs$ уже достигло 10%, и моментом, когда ток через транзистор достиг 10% от максимума (в данных условиях тестирования).

-- 02.12.2019, 18:29 --

shaxel в сообщении #1428563 писал(а):

имеется промежуток времени 330 нс, мне надо скоммутировать 10А при 24В

То есть частота около 1.5 - 3 Мгц (в зависимости от скважности), а мощность около четверти киловатта..
И куда это всё предполагается передать?

[shaxel]

На самом деле частота около 750 кГц. Мощность менее 20Вт, просто нагрузка индуктивная и 20А это пиковый ток, а не линейный. И то с запасом. Если быть точным, то 8.35А пока.
На счет точных времен: у меня есть осциллограф и все это будет видно, просто хотя бы основные моменты надо понимать, мосфет выбрать правильный тоже нужно. Драйвер ucc37322, по даташиту пиковый ток до 9А. И еще, я стремлюсь достигнуть максимально короткого фронта закрытия. Про обратно-параллельный диод, и выброс знаю. Просто хочу проверить один момент. Неоднократно читал и даже слышал от очень образованных людей, что колебательный контур, связанный индуктивно с источником, при прямоугольном импульсе в последнем, возбуждается из-за того, что спектр импульса имеет широкую гамму гармоник, и одна из них точно будет равна или кратна собственной частоте контура, вот он и возбуждается. Типа резонанс одной из гармоник с собственной частотой или гармоникой контура. Считаю это объяснение совершенно не соответствующим действительности, вот и хочу проверить.

[Dmitriy40]

EUgeneUS в сообщении #1428596 писал(а):

Но, имхо, несколько ошибаетесь в трактовке обсуждаемых параметров. Например, $t_{d(on)}$ - это задержка между моментом, когда $Vgs$ уже достигло 10%, и моментом, когда ток через транзистор достиг 10% от максимума (в данных условиях тестирования).

Да, разумеется всё так и есть. Засада в том что эти времена плохо привязаны к моментам начала открывания (10% от 10В ещё заметно меньше $V_{GS(th)}$ для обычных транзисторов и ток ещё практически даже не начал расти от величины утечки) и начала закрывания (90% от 10В ещё достаточно далеко от конца плато Миллера и сопротивление канала ещё не успело заметно вырасти). Потому эти пороги удобны для измерения параметров самого транзистора, но неудобны в расчётах режимов транзистора (особенно тепловыделения в процессе открывания/закрывания). Ну а наличие плато Миллера на этой диаграмме и в этих временах вообще фактически проигнорировано (оно ушло в обе эти delay, но не только оно).
Плюс на диаграмме нарисовано что ток продолжает меняться уже после достижения напряжения на затворе насыщения (0В и 10В), что в принципе объяснимо, и что не позволяет открывать и закрывать транзистор за околонулевое время даже очень большим током затвора.
Плюс эти 10% напряжений и токов - просто погрешности измерений уровней, на таких малых временах, что там происходит в рамках этих первых/последних 10% - дело тёмное, и на фактический режим транзистора почти не влияющее (он или ещё практически закрыт, или уже практически полностью открыт).

Вот потому и советую для расчётов пользоваться не этими временами, а зарядами затвора, плюс напряжением на затворе лишь справочно для определения сопротивления канала (тока нагрузки).

[Dmitriy40]

Вот ради интереса смоделировал выключение IRFZ44N, при токе канала $10\text{A}$ и напряжении $24\text{V}$, с управлением от $9\text{A}$ источника тока:

Красный - ток источника тока в затворе, зеленый напряжение на затворе, синий ток нагрузки, жёлтым полная рассеиваемая транзистором мощность. Её интеграл за время показанное в окне время составляет $250\text{nJ}$ (или $5\text{W}$ на частоте $5\text{MHz}$). Диод и стабилитрон поставил лишь для ограничения напряжения на затворе, т.к. управляю источником тока с временем нарастания/спада тока в $1\text{ns}$ без ограничения напряжения.
Начало переключения в $100\text{ns}$, аж целых $58\text{ns}$ перезаряжаются паразитные ёмкости (диода и стабилитрона), потом напряжение на затворе падает до нуля за $1{,}5\text{ns}$, но ток начинает падать лишь спустя $5\text{ns}$, и до 90% доходит через $7\text{ns}$, а до 10% падает через $11\text{ns}$. Т.е. транзистор полностью закрылся фактически за $11..15\text{ns}$. По документации же $t_{d(off)}=44\text{ns}$ и $t_f=45\text{ns}$, что почти на порядок больше.
Момент открывания не показываю, он происходит аналогично, за $6..10\text{ns}$ (по документации $t_{d(on)}=12\text{ns}$ плюс $t_r=60\text{ns}$).
Фактически таким источником тока можно переключать этот транзистор с такой нагрузкой примерно каждые $10..15\text{ns}$, разумеется обеспечив очень хороший теплоотвод (более полусотни ватт).
Так что цифры времён из документации справедливы лишь для тестовой схемы включения и измерения параметров, в другой схеме включения они могут и больше, и меньше.

[shaxel]

Кстати, вместо двунаправленного супрессора в затворе, например популярного P6KE15 я ставлю однонаправленный стабилитрон на 0.5 или 1Вт типа BZX15. Первый имеет емкость порядка 2000 пФ, второй только 75. Понятно что tvs рассчитан на большую мощность, но добавлять емкость сравнимую с самим затвором...
Вчера купил пару офигенно шустрых ребят с вменяемым сопротивлением: IRF7478. Буду дальше заниматься.
С тепловыделением все правильно? При 250нДж за переключение, считая теплопотери открытия и закрытия одинаковыми, у меня получилось 2.5 Вт, а не 5. С учетом того, что свежекупленные транзисторы имеют 0.02 Ом канала и частота у меня в 5 раз ниже, планирую получить менее ватта теплопотерь.

[EUgeneUS]

shaxel
А зачем Вам супрессор в цепи затвора?
Вы же затвор "дергаете" хорошим драйвером, откуда там выбросы, от которых супрессор должен защищать?

[shaxel]

Да может он и не нужен. Я вообще через GDT дергать собираюсь. Драйвером управляет специальный микрокомпьютер, собранный и запрограммированный на заказ. Перестраховываюсь, боюсь чтоб на него ничего не прилетело. Вечером буду дома, скину схему разводки и фото испытательной установки. К выходным запустим с новыми транзисторами, скину исциллограммы.

[Dmitriy40]

Не знаю насчёт шустрости IRF7478, но вот что он в SO8 это не очень хорошо (труднее отводить тепло). Да и 26мОм. При вашем токе 8.35А это уже 1Вт с 50% ШИМом, а при желаемых 20А это 5Вт, что уже вдвое превышает допустимую по документации и придётся охлаждать точки пайки до -40°С и ниже чтобы удержать температуру кристалла в рамках +150°С (а если вдруг импульсы на затвор прекратятся и полевик останется открытым, то это уже 10Вт и он сгорит даже при -70°С в точке пайки).
В то же время входная ёмкость 1.7нФ даже чуть больше что и у "больших" полевиков в ТО220 (того же IRFZ44N с 1.5нФ, который кстати и стоит те же 0.5USD).
Да, время открывания у этого поменьше - за счёт снижения порогового напряжения, он может начать открываться уже при 1В, ну и заряды затвора соответственно вдвое (от IRFZ44N) поменьше, но чем пусть даже 5нс открывания лучше 10нс (или 8нс закрывания вместо 15нс) с вашим 9А драйвером я не очень-то понимаю, всё равно в реальности времена будут вдвое-втрое больше.
Единственная польза этого транзистора - в его низком пороговом напряжении, можно не гнать затвор до 10В, а ускорить закрывание за счёт питания драйвера от +5В/-10В, вместо +15В/0В, при 5В на затворе 30мОм вполне вменяемое сопротивление (для токов до 10А), зато задержка закрывания будет заметно меньше. Но больше задержка открывания.
Надеюсь Вы не забудете поставить около драйвера две керамики суммарно не менее 100нФ (лучше разных, типа 100 и 5-22).