Przełączanie prądu stałego za pomocą MOSFET: kanał p lub kanał n; Niskie obciążenie boczne czy wysokie obciążenie boczne?

Myślę, że nadszedł czas, aby zrozumieć zasadę działania tranzystorów MOSFET ...

Przypuszczam, że;

• Chcę przełączyć napięcie na obciążenie rezystancyjne przez tranzystor MOSFET.
• Każdy sygnał sterujący między -500 V a + 500 V może być łatwo wygenerowany.
• Modele tranzystorów na zdjęciu nie są ważne, mogą być również z innego odpowiedniego modelu.

Pytanie nr 1
Które techniki jazdy są wykonalne? Mam na myśli, który z tych czterech obwodów działałby z prawidłowo przyłożonymi sygnałami sterującymi?

Pytanie nr 2
Jaki jest zakres poziomu napięcia sygnałów sterujących (CS1, CS2, CS3, CS4), który ładuje i rozładowuje rezystor? (Rozumiem, że dokładne granice stanów włączania i wyłączania muszą być obliczane indywidualnie. Ale proszę o przybliżone wartości, aby zrozumieć zasadę działania. Proszę podać stwierdzenia takie jak: „ W obwodzie (2) tranzystor włącza się, gdy CS2 jest poniżej 397 V i wyłącza się, gdy przekracza 397 V. ”)

Wszystkie obwody są wykonalne, jeśli są prawidłowo napędzane, ale 2 i 3 są znacznie częstsze, o wiele łatwiejsze w prowadzeniu i znacznie bezpieczniejsze, nie robiąc rzeczy źle.

Zamiast dać ci zestaw odpowiedzi opartych na napięciu, dam ci kilka ogólnych zasad, które są znacznie bardziej przydatne, gdy je zrozumiesz.

• Tranzystory MOSFET mają bezpieczne maksymalne Vg lub Vsg, powyżej których mogą zostać zniszczone. Zwykle jest to mniej więcej taki sam w obu kierunkach i jest bardziej wynikiem budowy i grubości warstw tlenków.

• MOSFET będzie włączony, gdy Vg jest między Vth a Vgsm

  • W kierunku dodatnim dla tranzystorów FET z kanałem N.
  • W kierunku ujemnym dla FET kanału P.

Ma to sens kontrolowania tranzystorów polowych w powyższych obwodach.

Zdefiniuj napięcie Vgsm jako maksymalne napięcie, które bramka może być bezpieczniejsza o więcej niż ve.
Zdefiniuj -Vgsm jako najbardziej, że Vg może być ujemne w stosunku do s.

Zdefiniuj Vth jako napięcie, które brama musi być źródłem wrt, aby tylko włączyć FET. Vth jest + ve dla FET kanału N i ujemne dla FET kanału P.

WIĘC

Obwód 3
MOSFET jest bezpieczny dla Vg w zakresie +/- Vgsm.
MOSFET jest włączony dla Vgs> + Vth

Obwód 2
MOSFET jest bezpieczny dla Vg w zakresie +/- Vgsm.
MOSFET jest włączony dla - Vgs> -Vth (tzn. Bramka jest bardziej ujemna niż drenaż o wielkość Vth.

Obwód 1 Dokładnie taki sam jak obwód 3,
tzn. Napięcia względem FET są identyczne. Nic dziwnego, kiedy się nad tym zastanowić. ALE Vg będzie teraz ~ = 400 V.

Obwód 4 Dokładnie taki sam jak obwód 2,
tzn. Napięcia względem FET są identyczne. Znowu nic dziwnego, kiedy się nad tym zastanowić. ALE Vg będzie teraz przez cały czas ~ ~ 400 V poniżej szyny 400 V.

tzn. różnica w obwodach jest związana z napięciem Vg wrt uziemienia dla FET kanału N i + 400 V dla FET kanału P. FET nie „zna” napięcia absolutnego, na którym znajduje się bramka - „dba” tylko o napięcia źródła.

Powiązane - pojawią się po powyższej dyskusji:

• MOSFETY to przełączniki „2 ćwiartki”. To znaczy, dla przełącznika kanału N, w którym biegunowość bramki i drenu względem źródła w „4 ćwiartkach” może wynosić + +, + -, - - i - +, MOSFET włączy się z

  • Vds = + ve i Vgs + ve

  LUB

  • Vds ujemne i Vg pozytywne

Dodano początek 2016 r .:

P: Wspomniałeś, że obwody 2 i 3 są bardzo powszechne, dlaczego tak jest?
Przełączniki mogą pracować w obu ćwiartkach, co powoduje, że wybiera się kanał P na kanał N, górny na dolny? -

Odp .: Jest to w dużej mierze ujęte w oryginalnej odpowiedzi, jeśli przejrzysz ją ostrożnie. Ale ...

WSZYSTKIE obwody działają tylko w 1. kwadrancie, gdy są włączone: Twoje pytanie dotyczące działania 2 kwadrantów wskazuje na nieporozumienie powyższych 4 obwodów. Wspomniałem o 2 ćwiartkach na końcu (powyżej) ALE nie ma to znaczenia w normalnym działaniu. Wszystkie 4 powyższe obwody działają w swojej pierwszej ćwiartce - tj. Polaryzacja Vgs = polaryzacja Vds przez cały czas po włączeniu.
Możliwa jest operacja drugiego kwadrantu, tj.
Polaryzacja Vgs = - Polaryzacja Vds przez cały czas po włączeniu
ALE to zwykle powoduje komplikacje z powodu wbudowanej „diody ciała” w FET - patrz sekcja „Dioda ciała” na końcu.

W obwodach 2 i 3 napięcie napędu bramki zawsze znajduje się między szynami zasilającymi, co sprawia, że ​​nie jest konieczne stosowanie „specjalnych” układów do obliczania napięć napędu.

W obwodzie 1 napęd bramy musi znajdować się powyżej szyny 400 V, aby uzyskać wystarczającą ilość Vgs do włączenia MOSFET.

W obwodzie 4 napięcie bramki musi znajdować się poniżej masy.

Aby osiągnąć takie napięcie, często stosuje się obwody „bootstrap”, które zwykle wykorzystują diodową „pompę” kondensatora, aby uzyskać dodatkowe napięcie.

Częstym rozwiązaniem jest użycie kanału 4 x N w moście.
2 x tranzystory polowe z niskim napięciem mają zwykły napęd bramkowy - powiedzmy 0/12 V, a 2 tranzystory FET z wysokim obwodem potrzebują (tutaj) oszczędności 412 V, aby dostarczyć + 12V do wysokich tranzystorów FETS, gdy FET jest włączony. Nie jest to technicznie trudne, ale wymaga więcej działań, więcej błędów i musi zostać zaprojektowane. Zasilanie bootstrap jest często napędzane przez sygnały przełączające PWM, więc istnieje niższa częstotliwość, przy której nadal dostajesz napęd górnej bramy. Wyłącz prąd przemienny, a napięcie ładowania początkowego zacznie maleć pod wpływem wycieku. Znowu, nie trudne, po prostu miło unikać.

Korzystanie z kanału 4 x N jest „miłe”, ponieważ
wszystkie są dopasowane,
Rdson jest zwykle niższy dla tego samego kanału $ niż P.
UWAGA !!!: Jeśli paczki są izolowane lub używają izolowanego mocowania, wszystko może iść razem na tym samym radiatorze - ALE należy zachować ostrożność !!!
W tym przypadku

• Dolne 2 mają

  • włączył 400 V na odpływach i

  • źródła są uziemione,

  • powiedzmy, że bramki mają wartość 0 / 12V.

podczas

• górne 2 mają

  • stałe 400 V na odpływach i

  • włączono 400 V na źródłach i

  • 400/412 V na bramie.

Dioda ciała: Wszystkie zwykle spotykane tranzystory polowe * mają „wewnętrzną” lub „pasożytniczą” diodę ciała o odwróconym napięciu między drenem a źródłem. W normalnej pracy nie wpływa to na zamierzone działanie. Jeśli FET działa w drugim kwadrancie (np. Dla kanału N Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pedantry: zadzwoń na 3-ty, jeśli chcesz :-)]], wówczas dioda ciała przewodzi, gdy FET jest włączony wyłączony, gdy Vds jest -ve. Są sytuacje, w których jest to przydatne i pożądane, ale nie są one powszechnie spotykane np. W 4 mostkach FET.

* Dioda korpusu powstaje z powodu przewodzenia podłoża, na którym formowane są warstwy urządzenia. Urządzenia z izolowanym podłożem (takie jak Silicon na Saphire), nie mają tej wewnętrznej diody ciała, ale są zwykle bardzo drogie i wyspecjalizowane).

To dobre pytanie! Są pewne niuanse, których inne odpowiedzi przeoczyły, więc pomyślałem, że wślizgnę się.

Krótka odpowiedź jest następująca:

• Najczęściej stosowana jest topologia nr 3 (przełącznik kanału dolnego N). Ponieważ terminal źródłowy MOSFET jest podłączony do uziemienia, napęd bramki do tego jest prosty. Podłącz bramę do ziemi, aby ją wyłączyć. Podłącz bramkę do napięcia 5-10 V nad ziemią, aby ją włączyć. Przeczytaj arkusz danych MOSFET, a dowiesz się, jakie napięcie bramki musisz podać.

Kiedy nie używałbyś tej topologii? Jedynym ważnym powodem jest to, że masz ładunek, który musi mieć jeden zacisk podłączony do uziemienia obwodu, dla bezpieczeństwa elektrycznego lub w celu zminimalizowania promieniowania / podatności elektromagnetycznej. Niektóre silniki / wentylatory / pompy / grzejniki / itp. Muszą to zrobić, w takim przypadku jesteś zmuszony zastosować topologię high-side # 1 lub # 2.

• Przełącznik wysokonakładowy z kanałem N (topologia nr 1) ma lepszą wydajność niż przełącznik wysokonakładowy z kanałem P o porównywalnej wielkości / cenie, ale napęd bramki jest bardziej skomplikowany i musi być związany ze źródłem MOSFET w kanale N terminal, który zmienia się w zależności od przełączników obwodu, ale istnieją wyspecjalizowane układy sterowania bramą, które mają sterować wysokosprawnymi tranzystorami MOSFETS. Aplikacje o wysokim napięciu lub dużej mocy zwykle wykorzystują tę topologię.

• Przełącznik górnego kanału P (topologia nr 2) ma gorszą wydajność niż porównywalny / cenowy przełącznik górnego kanału N, ale napęd bramki jest prosty: podłącz bramę do szyny dodatniej („+ 400 V” w swoim rysowanie), aby go wyłączyć i podłączyć bramkę do napięcia 5-10 V poniżej szyny dodatniej, aby ją włączyć. Cóż, w większości proste. Przy niskich napięciach zasilania (5-15 V) można zasadniczo podłączyć bramę do uziemienia, aby włączyć MOSFET. Przy wyższych napięciach (15–50 V) często można utworzyć źródło polaryzacji z rezystorem i diodą Zenera. Powyżej 50 V lub jeśli przełącznik musi się szybko włączyć, staje się to niepraktyczne i ta topologia jest rzadziej stosowana.

• Ostatnia topologia nr 4 (dolny przełącznik kanału P) ma najgorszy ze wszystkich światów (gorsza wydajność urządzenia, skomplikowany obwód napędu bramki) i zasadniczo nie jest używana.

Bardziej szczegółową dyskusję napisałem w poście na blogu .

Nie określasz, czy napięcie sterujące jest w stosunku do ziemi, czy może się unosić.

Obwód 3 to najbardziej praktyczny schemat kanałów N. Źródło ma stałe napięcie względem ziemi, co oznacza, że ​​możesz podać stałe napięcie źródło-bramka, aby je kontrolować. MOSFET będzie włączony w dowolnym miejscu od +2,5 do + 12V nad ziemią, w zależności od urządzenia.

Obwód 1 jest trudny. Gdy MOSFET jest wyłączony, źródłem jest w pewnym sensie pływający węzeł (wyobraź sobie dzielnik rezystora z ogromnym górnym opornikiem) siedzący gdzieś w pobliżu zera. Gdy MOSFET jest włączony, źródło będzie bardzo zbliżone do 400 V przy założeniu nasycenia. Przesuwające się źródło oznacza, że ​​napięcie sterujące między bramką a ziemią również musiałoby się przesunąć, aby MOSFET był włączony.

Obwód 1 jest lepszy, jeśli odniesiesz napięcie sterujące do źródła MOSFET, a nie do uziemienia. Jest to trywialne, jeśli zamierzasz sterować MOSFET-em sygnałem PWM o wystarczająco krótkim czasie działania, aby umożliwić zastosowanie transformatora impulsowego lub sterownika pompy ładującej. Mocowanie napięcia sterującego do źródła MOSFET-u oznacza, że ​​MOSFET może unosić się w górę i w dół, jak chce, bez wpływu na napęd.

Obwód 2 jest prosty jak obwód 3. Jeśli napięcie sterujące jest odniesione do masy, udowodnienie, że 397,5 V do 388 V od bramki do ziemi (-2,5 do -12 V od bramki do źródła) włączy MOSFET. Źródło jest stałe (zawsze przy + 400 V), więc sterowanie bramą oznacza, że ​​stałe napięcie jest wszystkim, czego potrzebujesz. (Chyba że twoja szyna 400V się zawali, ale to kolejny problem).

Obwód 4, podobnie jak obwód 2, jest trudny. Gdy MOSFET jest wyłączony, źródło znajduje się w pobliżu 400 V. Po włączeniu spadnie prawie do zera. Zmienne źródło oznacza zmienne zasilanie bramki względem ziemi, co znowu jest nieporządną propozycją.

Zasadniczo utrzymuj źródła tam, gdzie to możliwe, lub jeśli muszą one pływać, użyj pływającego źródła zasilania, aby je kontrolować.