Ik denk toch dat ik je ongelijk moet geven, Flake
Laten we eens twee dingen doen: een voorbeeld met puur schakeltijd en gate capacitance, en een verder uitgewerkt voorbeeld. Als voorbeeld gebruiken we IRF6621 want dat is echt een extreem sexy, opwindende en bijna crimineel seksuele MOSFET.
Datasheet.
Op een hoog niveau kun je kijken naar twee getallen: total gate charge en switching time. Gate charge gaat in nanocoulombs, switching time in nanoseconden, dus als we die twee door elkaar delen krijgen we nC/ns = A. Amperes dus. Dit is de hoeveelheid lading die je in de MOSFET gate moet proppen voordat hij helemaal aan is. IRF6621 heeft een schakeltijd van 14ns als je hem aanzet en 4.1ns als je hem uitzet, en een total gate charge van 11.7nC typisch. Dat betekent dus dat, wil je hem in deze tijd aan of uit zetten, je tijdens de aan-flank 11.7/14=0.835A erin moet pompen. Tijdens de uit-flank is het nog veel meer: 11.7/4.1=2.85A.
Deze hoeveelheid stroom (we zijn nog steeds in de vereenvoudigde analyse) wordt genomen als de stroom die je gate driver op (max gatespanning)/2 kan geven. Stel dat we een Atmega88 op 5V gebruiken, dan zien we in z'n
datasheet op pagina 258 dat de I/O pinnen (geëxtrapoleerd naar 2.5V) ongeveer 70-75mA kunnen leveren. Da's bij lange na niet genoeg. Deze MOSFET kan direct op de I/O van zo'n AVR dus maar in ongeveer 11.7/0.07=167ns geschakeld worden op z'n snelst.
Er is een iets nauwkeurigere manier om de schakeltijd te berekenen, en dat is door figuur 2 op pagina 1 van de irf6621 datasheet te gebruiken. Daar zie je de gate charge als functie van gate-spanning. Een opmerkelijk detail in die grafiek is dat er een stukje plat in zit, dit heet het Miller-plateau. Tijdens het aan- en uitzetten van een MOSFET is de Miller-lading hetgene wat zorgt voor de meeste 'vertraging' bij het aan- en uitschakelen. Tevens moet de lading vanaf de threshold voltage mee worden gerekend. Voor IRF6621 is dit typisch 1.8V.
Op deze 'betere' manier van schakeltijden berekenen moet je dus de het platte deel van de gate charge-grafiek meten en de lading vanaf threshold voltage erbij optellen: dit is (bij Vds=15V) ongeveer 9-3=6nC. Dit opladen van de miller charge gebeurt zo te zien op ca. 3V, dus dan wandelen we even verder naar de atmega88 datasheet om te kijken hoeveel stroom er kan worden geleverd door de I/O bij 3V: dit is waarschijnlijk zo'n 80mA (wederom geëxtrapoleerd). Een atmega88 kan dus volgens deze iets verfijndere methode een IRF6621 schakelen in 6/0.08=75ns.
Deze laatste berekening is natuurkundig correcter, maar in de praktijk zorgen parasitaire eigenschappen van het circuit ervoor dat de werkelijke waarde er ergens tussenin zal vallen.
Waarom is het belangrijk om MOSFETs snel te kunnen schakelen? Schakelverliezen! Tijdens het proces van aan- en uitgaan gaat zoals sprite_tm al zei de schakelaar door een fase van een-beetje-geleiden en het effect hiervan is dat (bij de meeste soorten een beetje-tot-dominant inductieve ladingen) de volledige source-drain-spanning en -stroom tijdens deze schakelperiode over de MOSFET komen te staan. De schakelverliezen voor een MOSFET die met frequentie f een stroom van I op een spanning van U staat te schakelen met aan- en uitschakeltijden van t
r en t
f, kun je schrijven als:
P
sw = f * U * I * (t
r + t
f)
Om een concreet voorbeeld te geven van wanneer dit een probleem wordt: ik gebruik momenteel IRF6621 voor een dc/dc converter van 12-19 naar 5V op 180kHz met een uitgangsstroom van 6.3A max. Als ik geen gate-drivers zou gebruiken zou ik schakeltijden krijgen van ca. 150ns. Mijn schakelverliezen zijn dan max:
P
sw = 180e3 * 19 * 6.3 * (150e-9 + 150e-9) = 6.46W
Dat is meer dan 20% van het uitgangsvermogen! Wanneer ik wel gate-drivers gebruik die voldoende piekstroom kunnen leveren, zijn mijn schakelverliezen opeens nog maar:
P
sw = 180e3 * 19 * 6.3 * (14e-9 + 4.1e-9) = 0.0123W.
Seriously good stuff. Ik moet nu even met een rol wc-papier achter een bosje gaan zitten.
edit: ohja, source en sink current staan apart gespecificeerd in de atmel datasheet. Geen zin om te herschrijven, deal with it.