Como determinar a frequência PWM máxima para o transistor (2SK2554)

Como posso determinar (estimar) a frequência PWM máxima razoável razoável para o transistor 2SK2554?

Encontrei horários na folha de dados :

Eu poderia estimar a frequência a partir disso (e garantir que todos esses tempos sejam 20-50x mais curtos que o comprimento do meu ciclo PWM ou algo assim. Mas eu tenho Vgs entre 4-5V, minha corrente máxima é 10A.

Estou perguntando porque agora tenho PWM lento (~ 1kHz), mas quero saber com que rapidez meu PWM pode ser sem perder muita energia ao alternar.

Minha carga é grande bateria de chumbo-ácido (carregando) ou resistiva (descarregando).

Até agora - fiz simulação com transistor semelhante, um pouco menor (2SK2553) porque não havia 2SK2554 no meu Multisim.

Este é um gráfico para Vgs = 4V.

Quanto tempo (em porcentagem, por exemplo) meu tempo de comutação pode demorar no tempo de ciclo do PWM?

O principal fator que determina a velocidade de comutação não é apenas o MOSFET, mas o circuito no qual você o possui.

Do ponto de vista do portão (ou seja, o PoV do seu sinal PWM), o MOSFET pode ser visto como um capacitor simples. O MOSFET é considerado ON quando a tensão nesse capacitor estiver acima da tensão limite$V_{th}$ e desligado quando abaixo (é mais complexo que isso, mas esse é um modelo simplificado por enquanto).

Então, basicamente, tudo se resume à rapidez com que você pode carregar e descarregar esse capacitor .

Quanto mais tempo o capacitor demorar para carregar ou descarregar, mais tempo o dispositivo levará para alternar e mais energia será dissipada durante esse período de comutação.

Existe um documento PDF muito bom da International Rectifier, que apresenta os conceitos básicos dos MOSFETs . A seção "Gate Charge" é uma boa leitura para este problema.

Pode ser simplificado até as fórmulas RC padrão para calcular o tempo de carga de um capacitor $\tau=R \times C$- a capacitância do portão, multiplicada pela resistência da parte do circuito de carregar ou descarregar o portão. Por exemplo, se você estiver trocando a porta através de 100Ω e a porta tiver uma capacitância de 7700pF, o tempo de subida será$100 × 7.7e-9 = 770ns$por 63,2% de cobrança. Ajuste esse tempo para se adequar à tensão limite exata e à tensão de sua unidade, é claro.

Digamos que você tenha um PWM de 8 bits, são 256 valores possíveis, portanto, você precisa de um mínimo absoluto de 770ns * 256 intervalos de tempo para alternar, que é de 197.120µs ou uma frequência máxima absoluta de 5073Hz. Eu limitaria a metade disso para garantir um intervalo mínimo de uma unidade de nível entre ligar e desligar.

Claro, isso é apenas um valor aproximado. Se você ler esse PDF e compará-lo com os valores da folha de dados, poderá obter valores mais precisos.

Quando um passo atinge um portão mosfet, existe algum atraso antes que o mos esteja totalmente ligado. Isso deve ser levado em consideração se você não quiser terminar com um MOS que passa a maior parte do tempo ligando (desligado) em vez de (não) conduzindo em seus estados ideais, ou seja, "totalmente ligado" e "totalmente desligado" .

Quando as etapas chegam, duas coisas acontecem: a capacidade da fonte do portão deve carregar e a região de inversão deve se formar abaixo do portão. Há uma espécie de atraso "morto", ou seja, nada acontece, ao ligar e desligar, pois quando a carga no portão está abaixo ou acima de um certo limite, nenhuma corrente (ou toda a corrente possível) pode fluir: esse atraso é o tempo de atraso.

Os tempos de subida e descida levam em consideração o tempo que a corrente precisa atingir seu valor máximo, ou zero, é como se você estivesse andando pelas características do mos na região linear (triodo).

Embora os tempos de atraso sejam provavelmente constantes, os tempos de subida e descida dependem muito da tensão do portão:

• ao ligar, quanto maior a tensão do portão de destino , menor o tempo de subida
• ao desligar, quanto menor a tensão da porta de partida , menor o tempo de queda

Às vezes, você dirige o portão com alta tensão para ligá-lo rapidamente e depois volta ao mínimo $V_{GS}$ isso garante a saturação para que o desligamento seja mais rápido também.

Sobre seus horários, eu começaria a resumir o tempo de atraso e aumento (queda) de cada transição:

Vamos supor que você queira gastar no máximo 1% do seu tempo ligando ou desligando o seu mos: você toma $t_{ON}+t_{OFF}=2580ns$, multiplique por 100 e você terá seu período: 258000ns ou 258us, ou seja, cerca de 4kHz. Nos comentários, eu estava simplesmente negligenciando a mudança de horário.

De qualquer forma, 1% é um limite bastante conservador, significa que a onda realmente parece uma onda quadrada se você a ver através de um osciloscópio. Você provavelmente pode subir ainda mais e estar seguro, ou seja, não está se dissipando muito.