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POWER 8 - giugno 2015
V
CARICA DI GATE
Analisi per la selezione del dispositivo adeguato
La selezione del dispositivo di potenza più adatto per
un determinato circuito richiede un’analisi dettagliata
di molti parametri. La tensione di bloccaggio, la cor-
rente di leakage e le caratteristiche termiche sono tutti
fattori importanti dal punto di vista dell’affidabilità.
Dal punto di vista operativo, invece, i parametri fonda-
mentali sono la tensione di saturazione, la tensione di
soglia, la transconduttanza e la corrente di picco. La
minimizzazione delle perdite è essenziale per il pro-
getto complessivo di un circuito di potenza efficiente.
Le perdite nei dispositivi di potenza possono essere
raggruppate in tre categorie: perdite di pilotaggio che
si generano nel pilotare il dispositivo di potenza, per-
dite di commutazione che si generano nei transitori di
accensione e spegnimento del dispositivo e perdite di
conduzione che si generano quando il componente è
acceso (Fig. 1). Per frequenze di commutazione infe-
riori a 10 kHz, le perdite di conduzione sono quelle
dominanti. Le perdite di pilotaggio (driving loss) e di
commutazione (switching loss) diventano invece domi-
nanti al crescere della frequenza (Fig. 2). Ciascun tipo
di perdita può essere calcolato dai parametri caratte-
ristici del dispositivo. Le perdite di pilotaggio possono
essere calcolate a partire dalla carica di gate (Qg). Le
perdite di commutazione possono essere ottenute dal-
la resistenza di gate (Rg) e dalle capacità parassite del
dispositivo (o dalle caratteristiche della carica di gate),
mentre le perdite di conduzione si ricavano dalla resi-
stenza del canale (Ron). Di conseguenza, per valutare
le perdite di potenza, sono necessari degli strumenti
in grado di misurare questi parametri. Le capacità pa-
rassite del dispositivo si dividono in capacità di ingres-
so (Ciss), capacità di uscita (Coss) e capacità di trasfe-
rimento inverso (Crss). La scelta di un dispositivo di
potenza che offra un buon compromesso tra resistenza
di conduzione e capacità parassite rappresenta il pri-
mo passo nella progettazione di circuito elettronico di
potenza efficiente. La carica di gate è definita come la
carica totale richiesta per accendere completamente il
dispositivo. Può anche essere vista come il parametro
che rappresenta le caratteristiche non lineari della ca-
pacità di ingresso (Ciss = Cgs + Cgd). Sia la resistenza
di conduzione che le capacità parassite sono impor-
tanti in dispositivi di potenza che commutano ad alta
frequenza con una basso valore della figura di merito
data dal prodotto Qg per Ron.
Cos’è la carica di gate?
La carica di gate rappresenta la quantità totale di cari-
ca necessaria per accendere un dispositivo di potenza
portandolo nello stato di conduzione. In altre parole,
corrisponde all’integrale nel tempo della corrente che
scorre nel terminale di gate quando il dispositivo crea
il canale di conduzione. La perdita di pilotaggio (dri-
ving loss) può essere così calcolata come il prodotto
della carica di gate, della tensione di gate e della fre-
quenza (Fig. 3).
Come mostrato in figura 4, la carica di gate ha l’anda-
mento di una curva continua formata da tre segmenti
con pendenza differente.
Se la corrente di gate (Ig) è costante, la carica di gate è
il prodotto di Ig per il tempo (t). Quindi l’andamento
di Qg può essere ricavato semplicemente dalla misura
della tensione di gate (Vgs). Il primo segmento della
curva Qg rappresenta la salita di Vgs durante la quale
Ciss_off viene caricata dalla corrente Ig mentre il di-
spositivo è spento. Vgs può essere espressa come:
Vgs = (1/Ciss_off)*Qg
Dato che in generale Cgs è molto maggiore di Crss, si
può approssimare l’espressione come:
Vgs = (1/Cgs)*Qg
La carica di gate in questo segmento è chiamata Qgs
Quando Vgs supera la tensione di soglia (Vth) la cor-
rente di drain (o di collettore) inizia a scorrere. In
questo segmento Vgs aumenta fino a quando la cor-
rente di drain raggiunge il valore desiderato nella cur-
Fig. 3 – Perdita di pilotaggio dalla carica di gate