MOSFETゲート駆動能力とは何ですか？なぜそれを気にしますか？

この回路には「ゲート駆動能力が低い」と誰かが言った：

^{この回路のシミュレーション – CircuitLabを使用して作成された回路図}

それはどういう意味ですか？M1の負荷としてLEDを使用してテストしましたが、マイクロコントローラーは正常にオンとオフを切り替えることができます。どのような状況下で、ドライブ能力の低下が問題になりますか？どうすれば改善できますか？

答えは最後ですが、MOSコンデンサの概念に慣れていない場合に備えて、簡単に確認します。

MOSコンデンサ：

MOSFETトランジスタのゲートは、本質的にコンデンサです。このコンデンサに電圧を印加すると、電荷を蓄積することで反応します：

ゲート電極に蓄積された電荷は役に立たないが、電極の下の電荷は導電性チャネルを形成し、ソース端子とドレイン端子間に電流が流れることを可能にする：

このコンデンサに蓄積された電荷が感知可能になると、トランジスタがオンになります。これが発生するゲート電圧は、しきい値電圧と呼ばれます（ここでは関連するのはゲートからボディへの電圧ですが、ボディがゼロ電位として定義されていると仮定します）。

ご存知のように、抵抗を介してコンデンサを充電するには時間がかかります（回路図に抵抗が含まれていない場合でも、常に抵抗が存在します）。この時間は、コンデンサと抵抗の両方の値に依存します。

上記のすべてのステートメントを組み合わせると、次のようになります。

• トランジスタのゲートは、トランジスタが「スイッチオン」するために抵抗を通して充電されるコンデンサです
• ゲートの入力容量が大きいほど、トランジスタをオンにするのに時間がかかります
• 電圧源とゲート間の抵抗が大きいほど、トランジスタをオンにするのに時間がかかります
• 外部から印加される電圧が高いほど、トランジスタをオンにするのにかかる時間が短くなります。

答え：

人々が「ゲート駆動能力が低い」と言うとき、それらは与えられた構成でのトランジスタのターンオンおよびターンオフ時間が長すぎることを意味します。

「何に比べて長すぎる？」質問するかもしれませんが、これは尋ねる最も重要な質問です。必要なオン/オフ時間は多くの側面に依存しますが、私はそれを知りたくありません。例として、50％のデューティサイクルと10msの周期を持つ周期的な方形波でトランジスタを駆動することを考えてください。信号の高位相ではトランジスタをオンにし、低位相ではトランジスタをオフにする必要があります。ここで、特定の構成でトランジスタのターンオン時間が10msになる場合、5msの高位相信号ではトランジスタをオンにするのに十分ではないことが明らかです。指定された構成には「ゲート駆動能力が不十分」があります。

トランジスタを使用してLEDをオンにしたとき、高いスイッチング周波数を使用していませんでしたか？この場合、トランジスタのスイッチング時間はそれほど重要ではありませんでした-最終的にスイッチがオン/オフすることを確認したかっただけです。

概要：

「ゲートドライブ機能」は、一般的に良いことも悪いこともありませんが、アプリケーションに十分なものかそうでないかのどちらかです。達成したい切り替え時間に依存します。

切り替え時間を短縮するために、次のことを実行できます。

• ゲートへの抵抗を減らす
• 駆動回路の電圧/電流定格を上げる

Gateの静電容量についてできることは何もありません。これはトランジスタのビルトインプロパティです。

お役に立てれば

この問題は、比較的高い周波数でMOSFETをオン/オフするときに発生します。ゲート（Cgs）に導入されるミラー容量は重要な役割を果たすため、この容量を高周波で充電/放電するには、1Aを超える電流をゲートに注入する必要があります。

ただし、DCおよび静的動作では、駆動回路は非常に高いインピーダンス負荷を「認識」し、MOSFETを簡単にオン/オフできます。テストと検証のために、示されている回路図のGPIOピンの周波数を上げ、MOSFETのゲートの波形を観察します。