Переключение постоянного тока с помощью MOSFET: p-Channel или n-Channel; Низкая боковая нагрузка или высокая боковая нагрузка?

Думаю, пора понять принцип работы МОП-транзисторов ...

Предположим, что;

• Я хочу переключить напряжение на резистивной нагрузке с помощью МОП-транзистора.
• Любой сигнал управления между -500 В и + 500 В может быть легко сгенерирован.
• Модели транзисторов на рисунке не важны, они могут быть любой другой подходящей модели.

Вопрос № 1
Какая техника вождения возможна? Я имею в виду, какая из этих четырех цепей будет работать с правильно поданными управляющими сигналами?

Вопрос № 2
Каков диапазон уровней напряжения сигналов управления (CS1, CS2, CS3, CS4), которые нагружают и разряжают резистор? (Я понимаю, что точные границы состояний включения и выключения должны рассчитываться индивидуально. Но я прошу приблизительные значения, чтобы понять принцип работы. Пожалуйста, дайте такие утверждения, как « В схеме (2) транзистор включается, когда CS2 ниже 397В и выключается, когда выше 397В. ".)

Все схемы возможны при правильном управлении, но 2 и 3 встречаются гораздо чаще, намного проще в управлении и намного безопаснее, если не поступать неправильно.

Вместо того, чтобы дать вам набор ответов, основанных на напряжении, я дам вам некоторые общие правила, которые будут гораздо полезнее, когда вы их поймете.

• МОП-транзисторы имеют безопасный максимальный Vgs или Vsg, после которого они могут быть разрушены. Обычно они примерно одинаковы в обоих направлениях и являются в большей степени результатом конструкции и толщины оксидного слоя.

• MOSFET будет "включен", когда Vg находится между Vth и Vgsm

  • В положительном направлении для N канальных полевых транзисторов.
  • В отрицательном направлении для полевых транзисторов канала P.

Это имеет смысл управления полевыми транзисторами в вышеупомянутых цепях.

Определите напряжение Vgsm как максимальное напряжение, которое затвор может быть больше + ве, чем источник безопасно.
Определите -Vgsm как максимально возможное отрицательное значение Vg относительно s.

Определите Vth как напряжение, которое затвор должен быть источником, чтобы просто включить FET. Vth + ve для N-канальных полевых транзисторов и отрицательное для P-канальных полевых транзисторов.

ТАК

Цепь 3
MOSFET безопасна для Vgs в диапазоне +/- Vgsm.
MOSFET включен для Vgs> + Vth

Контур 2
MOSFET безопасен для Vgs в диапазоне +/- Vgsm.
МОП-транзистор включен для - Vgs> -Vth (то есть затвор более отрицательный, чем сток по величине Vth.

Схема 1 Точно так же, как схема 3,
т.е. напряжения относительно полевого транзистора идентичны. Не удивительно, когда вы думаете об этом. НО Vg теперь будет ~ = 400 В на все время.

Схема 4 Точно так же, как схема 2,
т. Е. Напряжения относительно полевого транзистора идентичны. Опять же, не удивительно, когда вы думаете об этом. НО Vg теперь всегда будет на ~ = 400 В ниже шины 400 В

то есть разница в цепях связана с напряжением Vg относительно земли для полевого транзистора с каналом и + 400 В для полевого транзистора с каналом. Полевой транзистор не «знает» об абсолютном напряжении, на котором находится его затвор - он только «заботится» о напряжениях в источнике.

Связанные - возникнут по пути после вышеупомянутого обсуждения:

• МОП-транзисторы - это переключатели с двумя квадрантами. То есть для N-канального коммутатора, где полярность затвора и стока относительно источника в «4 квадрантах» может быть + +, + -, - - и - +, MOSFET включится с

  • Vds = + VE и VGS + VE

  ИЛИ

  • Vds отрицательный и Vgs положительный

Добавлено в начале 2016 года:

Q: Вы упомянули, что схемы 2 и 3 очень распространены, почему это так?
Коммутаторы могут работать в обоих секторах, что заставляет выбирать канал P на канал N, от верхней стороны к нижней стороне? -

A: Это в значительной степени отражено в исходном ответе, если вы внимательно его изучите. Но ...

ВСЕ контуры работают только в 1-м квадранте, когда включены: Ваш вопрос о работе 2-х квадрантов указывает на неправильное понимание вышеупомянутых 4-х контуров. Я упомянул 2 операции квадранта в конце (выше), НО это не относится к нормальной работе. Все 4 из вышеуказанных цепей работают в своем 1-м квадранте - то есть полярность Vgs = полярность Vds при включении.
Возможна работа 2-го квадранта, т.е.
Vgs полярность = - Vds полярность всегда при включении,
НО это обычно вызывает осложнения из-за встроенного «диода корпуса» в FET - см. Раздел «Диод корпуса» в конце.

В цепях 2 и 3 напряжение возбуждения затвора всегда лежит между рельсами источника питания, поэтому нет необходимости использовать «специальные» устройства для получения напряжений возбуждения.

В контуре 1 привод затвора должен быть выше шины 400 В, чтобы получить достаточное количество Vgs для включения MOSFET.

В цепи 4 напряжение на затворе должно быть ниже уровня земли.

Для достижения таких напряжений часто используются «бутстрапные» схемы, в которых обычно используется диодный конденсаторный «насос» для создания дополнительного напряжения.

Обычная договоренность - использовать канал 4 x N в мосте.
2 полевых транзистора с низкой стороны имеют обычный привод затвора - скажем, 0/12 В, а двум полевым транзисторам с высокой стороны необходимо (здесь) экономить 412 В для подачи + 12 В на полевые транзисторы с высокой стороны при включении полевого транзистора. Технически это не сложно, но это еще не все, что-то не так и должно быть разработано. Источник начальной загрузки часто управляется сигналами переключения ШИМ, поэтому существует более низкая частота, на которой вы по-прежнему получаете привод верхнего затвора. Отключите переменный ток, и напряжение при загрузке начнет уменьшаться при утечке. Опять же не сложно, просто приятно избежать.

Использование 4 x N канала «хорошо», так как
все совпадают,
Rdson обычно ниже для того же $, чем P канал.
ВНИМАНИЕ !!!: Если пакеты изолированы или используются изолированные крепления, все они могут быть соединены вместе на одном радиаторе - НО БУДЬТЕ ОСТОРОЖНЫ !!!
В этом случае

• Нижние 2 имеют

  • переключил 400В на канализацию и

  • источники обоснованы,

  • ворота на 0 / 12В говорят.

в то время как

• верхние 2 имеют

  • постоянный 400 В на стоках и

  • переключил 400В на источники и

  • 400/412 В на воротах.

Диод корпуса: все полевые транзисторы, которые обычно встречаются *, имеют "собственный" или "паразитный" обратный смещенный диод тела между стоком и истоком. При нормальной работе это не влияет на предполагаемую работу. Если FET работает во 2-м квадранте (например, для N Channel Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pedantry: называйте это 3-м, если хотите :-)]], тогда диод тела будет работать, когда FET повернут выключен, когда Vds -ve. Есть ситуации, когда это полезно и желательно, но это не то, что обычно встречается, например, в 4 мостах FET.

* Диод корпуса образован благодаря подложке, на которой сформированы слои устройства, проводящей. Устройства с изолирующей подложкой (такие как кремний на сапфире), не имеют этого собственного диода корпуса, но обычно очень дороги и специализированы).

Это хороший вопрос! Есть некоторые нюансы, которые пропустили другие ответы, поэтому я подумал, что я должен вмешаться.

Краткий ответ таков:

• Топология № 3 (N-канальный коммутатор на нижней стороне) используется чаще всего. Так как исходный терминал MOSFET подключен к земле, привод затвора для этого прост. Соедините ворота с землей, чтобы выключить. Подключите затвор к напряжению 5-10 В над землей, чтобы включить. Прочитайте таблицу данных MOSFET, и она скажет вам, какое напряжение затвора вам необходимо предоставить.

Когда бы вы никогда не использовали эту топологию? Единственная основная причина для этого - если у вас есть нагрузка, для которой один терминал должен быть привязан к заземлению, для обеспечения электробезопасности или для минимизации электромагнитного излучения / восприимчивости. Некоторые двигатели / вентиляторы / насосы / нагреватели / и т. Д. Должны это делать, и в этом случае вы вынуждены использовать топологию верхней стороны № 1 или № 2.

• N-канальный коммутатор на стороне высокого уровня (Топология # 1) имеет лучшую производительность, чем сравнительный по размеру / цене коммутатор на стороне высокого уровня с P-каналом, но привод затвора более сложный и должен быть относительно источника N-канального MOSFET терминал, который меняется в зависимости от схемы коммутации, но есть специализированные ИС управления затвором, которые предназначены для управления N-канальными МОП-транзисторами верхнего уровня. Высоковольтные или высокомощные приложения обычно используют эту топологию.

• Коммутатор верхнего уровня с P-каналом (Топология # 2) имеет худшую производительность, чем коммутатор с верхним каналом с сопоставимым размером / ценой, но привод затвора прост: подключите вентиль к положительной шине ("+ 400 В" в вашем рисунок), чтобы выключить его, и подключите затвор к напряжению, которое на 5-10 В ниже положительной шины, чтобы включить его. Ну в основном все просто. При низком напряжении питания (5-15 В) вы можете просто подключить затвор к земле, чтобы включить MOSFET. При более высоких напряжениях (15-50 В) часто можно создать источник смещения с резистором и стабилитроном. Выше 50 В, или если коммутатор должен включаться быстро, это становится непрактичным, и эта топология используется реже.

• Последняя топология # 4 (переключатель P-канала на нижней стороне) имеет худшую из всех миров (худшую производительность устройства, сложную схему управления затвором) и практически никогда не используется.

Я написал более подробное обсуждение в блоге .

Вы не указываете, является ли управляющее напряжение относительно земли, или оно может плавать.

Схема 3 является наиболее практичной N-канальной схемой. Источник находится под постоянным напряжением относительно земли, что означает, что вы можете обеспечить фиксированное напряжение затвор-источник для управления им. МОП-транзистор будет «включен» в любом месте от +2,5 до + 12 В над землей, в зависимости от устройства.

Цепь 1 сложная. Когда полевой МОП-транзистор выключен, источник представляет собой нечто вроде плавающего узла (представьте себе резисторный делитель с огромным верхним резистором), расположенный где-то близко к нулю. Когда полевой МОП-транзистор включен, источник будет очень близок к 400 В при условии насыщения. Движущийся источник означает, что управляющее напряжение затвора к земле также должно было бы перемещаться, чтобы удерживать полевой МОП-транзистор.

Схема 1 лучше, если вы подаете управляющее напряжение на источник MOSFET, а не на землю. Это тривиально, если вы собираетесь управлять МОП-транзистором с помощью ШИМ-сигнала с достаточно малым временем включения, чтобы можно было использовать импульсный трансформатор или драйвер подкачки заряда. Прикрепление управляющего напряжения к источнику полевого МОП-транзистора означает, что полевой МОП-транзистор может перемещаться вверх и вниз по своему усмотрению, не влияя на привод.

Цепь 2 прямолинейна, как и цепь 3. Если управляющее напряжение привязано к земле, при проверке напряжения от 397,5 до 388 В между затвором и землей (от -2,5 до -12 В от затвора до источника) включается МОП-транзистор. Источник фиксирован (всегда при + 400 В), поэтому управление затвором означает, что вам нужно постоянное напряжение. (Если ваша 400-вольтовая шина не сломается, но это еще одна проблема).

Контур 4, как и контур 2, сложен. Когда полевой МОП-транзистор выключен, источник находится около 400 В. Когда он включен, он упадет почти до нуля. Переменный источник означает переменную поставку ворот относительно земли, что опять-таки является грязным предложением.

В общем, держите ваши источники по возможности фиксированными, или, если они должны плавать, используйте плавающий источник для управления ими.