n-ch FETのゲート容量対ゲート電荷、およびゲートの充電/放電中の電力消費の計算方法

私は約30nsで1nFのゲート容量を充電できるMOSFETドライバ（TC4427A）を使用しています。

私が使用していたデュアルN-chのMOSFET（Si4946EY）は、FETあたり30nCのゲート電荷（max）を持っています。ダイ上の両方が同一であるため、今のところ1つだけを検討しています。ゲートを5Vに駆動しています。（これは論理レベルのフェットです。）

これは、静電容量を計算するためにQ = CVを適用できるということですか？C = 30nC / 5V = 6nF。そのため、ドライバーは約180nsでゲートを完全にオンにすることができます。

私の論理は正しいですか？

MOSFETのゲート抵抗は最大で指定されています。3.6オームの。これは上記の計算に影響を及ぼしますか？ドライバーの抵抗は9オームです。

ゲートが充電される代わりに放電されるタイミングに大きな違いはありますか？（フェットをオフにします。）

副次的な質問として、180nsの間、フェットは完全にオンになっていません。したがって、Rds（not-quite-ON）は非常に高くなります。この間にどのくらいの電力消費が発生するかを計算するにはどうすればよいですか？

エンドリスが言っているように、パラメーターの条件を見なければならない。30nCは = 10Vの最大値です。データシートの3ページ目のグラフは、通常5nVで10nCと表示され、C = = 2nFです。3ページ目の別のグラフでも、値は1nFです。不一致は、静電容量が一定ではないためです（これが電荷値を与える理由です）。 $V_{GS}$$\frac{10nC}{5V}$$C_{ISS}$

ゲート抵抗は確かに影響を及ぼします。ゲートの時定数は（9なります + 3.6） 2NF = 25nsの、代わりの9 2NF = 18ns。$\Omega$$\Omega$$\times$$\Omega \times$

理論的には、スイッチを入れると高い温度から開始するため、スイッチのオンとオフにはわずかな違いがあります。ただし、オンとオフの間の時間が短い場合（ここでは多くのマージンがあり、数十秒程度）、温度は一定であり、特性はほぼ対称的です。

あなたの副質問について。電流は、および温度に依存し、4次元グラフは2次元ではうまく機能しないため、これは通常データシートには記載されていません。唯一の解決策は、それを測定することです。1つの方法は、およびグラフをオフとオンの間で記録し、両方を乗算して統合することです。通常、この遷移は高速で行われるため、おそらく数ポイントでしか測定できませんが、適切な近似値が得られるはずです。遷移をより遅くすると、より多くのポイントが生成されますが、温度が異なるため、結果の精度が低下します。$V_{GS}$$V_{DS}$$I_D$$V_{DS}$

データシートの仕様にはV _GS = 10 Vと記載されているため、いいえ。C = 30 nC / 10 V = 3 nFです。しかし、これは絶対最大値です。

代わりに、単一の容量値は、これら3ページのグラフのようにスペック静電容量Cの意味の_ISS C _RSSとC _OSSはで与えられ、この文書の図5. 私はあなたがCについて最も気に考える_ISS、pFの900程度でありますチャートによると。

参照MOSFETのスイッチングでこのフェアチャイルドアプリケーションノート、性能指数でこのインフィニオンノート、このIRノートと私自身の経験を：

$Q_g$

• $Q_{gs}$
• $Q_{gd}$

$C_{iss}$

$Q_{gs}$$I_D$$V_{DS}$$Q_{gd}$$V_{DS}$$V_{DS}$$I_D$

MOSFETゲート抵抗には、充電電流を決定するために必要な外部抵抗が追加されます。あなたの場合、5Vに充電しているだけなので、ドライバーの現在の能力を最大限に活用することはできません。

ゲートの放電は、しきい値が同じである限り、充電と比較的同じです。ターンオンのしきい値が4Vで、5Vに充電する場合、ターンオフを取得するために1Vだけを放電しているため、ターンオン時間とターンオフ時間にわずかな非対称性があることが想像できます。対4Vをオンにします。

前のコメントによると、MOSFET駆動回路に抵抗とダイオードのネットワークがあり、オンとオフの充電電流を調整するのが一般的です。

ターンオンおよびターンオフ中の電力損失

これらの遷移中にトランジスタが高温になるのは、トランジスタの内部電圧と電流、および静電容量と関係があると思われるかもしれません。

実際には、スイッチをすばやくすばやくオンまたはオフにする限り、スイッチの内部の詳細は無関係です。スイッチを回路から完全に引き出すと、回路内のその他のものには、スイッチがオン/オフする2つのノード間に寄生容量Cが必然的にあります。スイッチをオフにした状態で、あらゆる種類のスイッチをその回路に挿入すると、その静電容量は最大で電圧Vまで充電され、CV ^ 2/2ワットのエネルギーを蓄積します。

どのような種類のスイッチであっても、スイッチをオンにすると、すべてのCV ^ 2/2ワットのエネルギーがそのスイッチで消費されます。（実際にゆっくりと切り替わる場合は、おそらくそのスイッチでさらに多くのエネルギーが消費されます）。

MOSFETスイッチで消費されるエネルギーを計算するには、接続されている外部容量C（ほとんどが寄生）の合計と、スイッチがオンになる直前までスイッチの端子が充電する電圧Vを求めます。あらゆる種類のスイッチで消費されるエネルギーは

• E_turn_on = CV / 2

ターンオンごとに。

FETのゲートを駆動する抵抗で消費されるエネルギー

• E_gate = Q_g V

どこで

• V =ゲート電圧スイング（説明から、5 V）
• Q_g =トランジスタをオンまたはオフにするためにゲートピンを介して押す電荷量（FETデータシートから、5 Vで約10 nC）

同じE_gateエネルギーは、ターンオン中、およびターンオフ中に再び消費されます。

そのE_gateエネルギーの一部はトランジスタで消費され、その一部はFETドライバチップで消費されます-私は通常、そのエネルギーのすべてがトランジスタで消費され、そのエネルギーもすべて消費されると仮定する悲観的な分析を使用しますFETドライバー。

スイッチが十分に急速にオフになる場合、ターンオフ中に放散されるエネルギーは、ターンオン中に放散されるエネルギーと比較して通常は重要ではありません。最悪の場合（高誘導負荷の場合）の境界を配置できます

• E_turn_off = IVt（最悪の場合）

どこで

• 私は、ターンオフ直前のスイッチを流れる電流です。
• Vは、ターンオフ直後のスイッチの電圧です。
• tは、オンからオフへの切り替え時間です。

その後、フェットで消費される電力は

• P = P_switching + P_on

どこで

• P_switching =（E_turn_on + E_turn_off + 2 E_gate）*スイッチング周波数
• switching_frequencyは、1秒間にスイッチをサイクルする回数です
• P_on = IRd =スイッチがオンの間に消費される電力
• Iは、スイッチがオンのときの平均電流です。
• RはFETのオン状態抵抗であり、
• dは、スイッチがオンになっている時間の割合です（最悪の場合の推定にはd = 0.999を使用します）。

多くのHブリッジは、フライバックダイオードとして（通常は望ましくない）ボディダイオードを利用して、誘導性フライバック電流をキャッチします。それを行う場合（外部ショットキーキャッチダイオードを使用するのではなく）、そのダイオードで消費される電力を追加する必要があります。