MOSFET：ゲート電流が0であると仮定できないのはいつですか？

電気工学を学ぶときによく耳にする一般的なルールは、MOSFETのゲート電流は常に約 0であるということです。

過渡状態では、ゲート容量を充電（または放電）する必要があり、これには電流が必要になるため、ゲート電流はゼロではありません。ゲート電流が大きいほど、ゲート電圧の変化が速くなり、デバイスの切り替えが速くなります。スイッチの遷移が完了すると、ゲート電流はゼロに近づきます（ほとんどが漏れ電流です）。

低スイッチング（PWM）周波数の場合、rmsゲート電流は低くなります。スイッチング周波数を高くすると、rms電流が増加します。

最も重要な例外は、通常、静的リークではありませんが、ゲート容量を充電または放電してオンまたはオフにする場合です。

通常、実用的な高速時間でゲート容量を充電および放電するには、約0.1〜1アンペアのゲート電流が必要です。

速すぎると余分な損失につながります。
遅すぎると、FETはオフとハードオンの間でアクティブな抵抗状態になり、適切な設計で達成できるエネルギーに比べて非常に多くのエネルギーを消費します。

これが、ゲートドライバが必要な理由であり、電圧要件が十分に満たされている場合でも、通常1〜30 mAを供給できるマイクロコントローラピンから高周波数でMOSFETゲートを駆動することができない理由です。

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関連-MOSFETゲート駆動電流：

10 kHzでスイッチングされるMOSFETには、アプリケーションに応じて適切なスイッチング時間を実現するために、0.1A〜1Aの範囲のゲート駆動電流が必要になることがよくあります。数十kHzのゲート駆動では、レンジの上限で一般的になります。

MOSFETデータシートは、ゲート電荷とゲート容量を指定します。静電容量は通常「数ナノファラッド」の範囲にあり、ゲート電荷は通常数十ナノクーロンであり、入力静電容量は通常ナノファードまたは数ナノです。

Digikeysパラメトリックセレクターを使用して、60〜100 V Vdsと10〜20 Amp IdsのNチャネルMOSFETをサブセットします。
ゲート電荷はわずか3.4 nC、入力容量= 256 pF、
入力容量は5700 pFで225 nC
は、下四分位中央値= 18 nCと870 pF、
上四分位中央値= 46 nCと1200 pFです。

この電荷は、ゲート容量に出入りする必要があります。
たとえば10 kHzでPWMしている場合、1サイクル= 100 uSであるため、スイッチング時間がそのほんの一部であることが期待されます。数nFを0から通常3Vから12Vに充電または放電する場合は、少なくとも100ミリアンペアのドライブが必要です。

1クーロン= 1アンペア秒なので、10 nCでは0.01 uSの場合は1 A平均、0.1 uSの場合は0.1 A平均が必要です。225 nCのゲート電荷を持つ上記の恐ろしい外れ値MOSFETは、1Aで充電するのに0.225 uS、0.1Aで2.25 uSかかります。このFETがほとんどの場合よりもはるかに悪い理由は、iが「特別な-それは通常ゲート電圧なしでオンであり、それをオフにするために負のゲート電圧を必要とする100V 16Aデプリーションモードデバイスです。たとえば、この60V、20Aの部品で、100 + nCのゲート電荷を持つます。

このより通常の60V 14A部品には、最大18 nCのゲート電荷があります。10 mAでマイクロコントローラポートピンから駆動すると、時間がかかります！ゲートコンデンサを充電するのに1.8 uS-おそらく10 kHzで許容でき、100 kHzでは非常に悪いです。「適切に駆動された」ときの立ち上がり時間と立ち下がりの切り替え時間は110および41 nSで、ゲート充電時間を最大2 uSよりも高くして、上限に近い場所に切り替えます。

例：

200 nSハイサイドゲートドライバー：

この回路のソースは確かではありません-PICListメンバー経由だと思います。誰でも気にしないか確認できます。この回路は、明らかであるよりもかなり「賢い」ことに注意してください。（Olinはここで使用される入力配置が好きです）。R14の両端間の〜= 3Vのスイングにより、R15を中心に約15Vのスイングが発生するため、Q14 / Q15ベースは+ 30Vから約+ 15Vにスイングし、ハイサイドゲートがPチャネルMOSFETに駆動すると〜15Vを提供します。

データシートを確認してください。以下の場合、このMOSFET彼らは最大100nAののソースリーク電流にゲートを指定します。たとえば、オペアンプからFETを駆動している場合、おそらくそれを無視できます。非常に低い充電でいくつかの静的電圧を使用している場合、100nAは大きすぎる可能性があります。すべてはアプリケーションに依存しますが、ほとんどの場合、この静的電流は無視できます。オンとオフを切り替えると、はるかに大きな電流ピークが発生し、ゲートの容量が充放電されます。

仮説的な状況：非常に小さな電荷によって生成される電圧の計測/検知を実装したいとします。（非常に高いインピーダンスを通る小さな電流でさえ排出される可能性のある充電。）

大型MOSFETの過渡特性の一部を示すいくつかの波形を次に示します。スイッチング中にゲート電流が高くなり、ここでゲート駆動電圧が低下した可能性があります。（黒い線） 。

この一般化は、理想的な増幅アプリケーションの観点からMOSFETとBJTを比較することから来ていると思います。

「BJTは電流制御デバイス（コレクタ電流を制御するベース電流、PN順方向降下にクランプされるベース電圧）です。一方、MOSFETは相互コンダクタンスデバイスです（ベース電流は無視でき、ベース電圧はコレクタ電流を制御します）」 。

「定常状態」アンプ（ハードスイッチングやバイアスの大きな変動がない）について話している場合、「ゼロベース電流」の仮定は、意味のある作業を行えるほど十分に当てはまります。

高周波のハードスイッチングを導入すると、他の人が指摘しているように、MOSFETの固有の容量が動作を支配します（つまり、引き出されるベース電流はゲート容量の充電と放電の関数です）。したがって、「ゼロ電流」の仮定は無効になります。