Перемикання постійного струму з MOSFET: p-канал або n-канал; Низька бокова навантаження або велика бічна навантаження?

Я думаю, саме час я розумію принцип роботи транзисторів MOSFET ...

Припустимо, що;

• Я хочу переключити напругу на резистивне навантаження транзистором MOSFET.
• Будь-який керуючий сигнал між -500 В і + 500 В можна легко генерувати.
• Моделі транзисторів на зображенні не важливі, вони можуть бути будь-якої іншої відповідної моделі.

Питання №1
Яка з прийомів водіння є здійсненною? Я маю на увазі, яке з цих чотирьох контурів буде працювати з правильно застосованими сигналами управління?

Запитання № 2
Який діапазон рівня напруги керуючих сигналів (CS1, CS2, CS3, CS4), який завантажує і розвантажує резистор? (Я розумію, що точні межі станів увімкнення та вимкнення повинні розраховуватися індивідуально. Але я прошу приблизних значень, щоб зрозуміти принцип роботи. Будь ласка, дайте твердження типу " У схемі (2)", транзистор включається, коли CS2 нижче 397В і вимикається, коли вище 397В. ".)

Усі схеми здійснені при правильному керуванні, але 2 і 3 набагато частіше, набагато простіше у керуванні та набагато безпечніше WTT, не роблячи справи неправильно.

Замість того, щоб дати вам відповіді на основі напруги, я дам вам кілька загальних правил, які набагато корисніші, як тільки ви їх зрозумієте.

• MOSFET мають безпечні максимальні Vgs або Vsg, за межами яких вони можуть бути знищені. Це, як правило, приблизно однакове в будь-якому напрямку і є більш результатом конструкції та товщини оксидного шару.

• MOSFET буде "увімкнено", коли Vg знаходиться між Vth та Vgsm

  • У позитивному напрямку для NET каналів FET.
  • У негативному напрямку для БНТ каналу P каналу.

Це має сенс контролю над FET у вищезазначених схемах.

Визначте напругу Vgsm як максимальну напругу, яке затвор може бути більше + ve, ніж джерело безпечно.
Визначте -Vgsm як найбільшу, що Vg може бути негативним щодо s.

Визначте Vth як напругу, яке для воріт повинно бути джерелом wrt, щоб просто увімкнути FET. Vth є + ve для N каналів FET, а мінус для F каналів FET.

ТОМУ

Схема 3
MOSFET безпечна для Vgs в діапазоні +/- Vgsm.
MOSFET увімкнено для Vgs> + Vth

Схема 2
MOSFET безпечна для Vgs в діапазоні +/- Vgsm.
MOSFET увімкнено для - Vgs> -Vth (тобто ворота більш негативні, ніж стік на величину Vth.

Схема 1 Точно така ж, як і схема 3,
тобто напруги відносно FET однакові. Не дивно, коли ви думаєте про це. АЛЕ Vg тепер буде ~ = 400В у всі приурочені.

Схема 4 Точно така ж, як і схема 2,
тобто напруги відносно FET однакові. Знову ж таки, не дивно, коли ви думаєте про це. АЛЕ Vg тепер буде ~ = 400В нижче рельси 400В постійно.

тобто різниця в ланцюгах пов'язана з напругою Vg wrt на землю для N каналу FET і + 400 В для P каналу FET. FET не "знає" абсолютну напругу, на якій знаходиться його затвор - він лише "дбає" про джерело напруги wrt.

Пов’язані - з’являться на шляху після вищезгаданої дискусії:

• MOSFETS - це "2 квадрантні" комутатори. Тобто для комутатора N каналів, де полярність затвора і стоку відносно джерела у "4 квадрантах" може бути + +, + -, - - і - +, MOSFET увімкнеться за допомогою

  • Vds = + ve і Vgs + ve

  АБО

  • Vds негативний і Vgs позитивний

Додано на початку 2016 року:

З: Ви згадали, що схеми 2 і 3 дуже поширені, чому це так?
Вимикачі можуть працювати в обох квадрантах, що змушує вибрати P канал до N каналу, від високої сторони до низької сторони? -

Відповідь: Це значною мірою висвітлено в оригінальній відповіді, якщо ви ретельно переглянете її. Але ...

ВСІ ланцюги працюють лише в 1-му квадранті, коли ввімкнено: Ваше запитання про роботу 2-х квадрантів вказує на нерозуміння цих 4 схем. Я згадував 2 операції квадранта в кінці (вище), але це не доречно в звичайній роботі. Усі 4 схеми вище працюють у своєму першому квадранті - тобто Vgs polarity = Vds polarity в усі часи при включенні.
Можлива операція 2-го квадранта, тобто
полярність Vgs = - полярність Vds у будь-який час, коли його ввімкнено,
але це, як правило, спричиняє ускладнення через вбудований «діод тіла» у FET - дивіться у розділі «Діод тіла» наприкінці.

У схемах 2 і 3 напруга приводу затвора завжди лежить між рейками живлення, тому не потрібно використовувати "спеціальні" пристрої для отримання напруги приводу.

У схемі 1 привід затвора повинен знаходитися над рейкою 400В, щоб отримати достатньо Vgs для включення MOSFET.

У схемі 4 напруга на затворі має бути нижче заземлення.

Для досягнення таких напруг часто використовуються ланцюги «завантажувальної стрічки», які зазвичай використовують діодний конденсатор «насос» для надання додаткової напруги.

Загальна домовленість полягає у використанні каналу 4 x N у мості.
2-х нижній бічний БНТ має звичайний привід затвора - скажімо, 0/12 В, а 2-х високим сторонам FETS потрібно (тут) заощадити 412 В для подачі + 12 В на високу сторону FETS, коли FET увімкнено. Це технічно не важко, але більше робити, більше помилятися, і це потрібно розробити. Подача завантажувальної передачі часто керується сигналами комутації ШІМ, тому є нижча частота, при якій все одно ви отримуєте верхній привід. Вимкніть змінного струму і напруга завантажувального пристрою починає спадати при витоку. Знову ж таки, не важко, просто приємно уникати.

Використання 4 x N каналу є "приємним", оскільки
всі вони узгоджуються,
Rdson, як правило, нижче на той самий $, ніж P канал.
ПРИМІТКА !!!: Якщо пакети є ізольованими вкладками або використовуються ізоляційний монтаж, всі можуть йти разом на один радіатор - АЛЕ потрібно брати до себе ДОГОВОРЮ !!!
В цьому випадку

• Нижні 2 мають

  • перемкнув 400В на зливи і

  • джерела обґрунтовані,

  • ворота знаходяться на 0 / 12V кажуть.

поки

• верхні 2 мають

  • постійні 400В на стоках і

  • перемкнув 400В на джерела і

  • 400/412 V на воротах.

Діод тіла: Усі БНТ, які зазвичай зустрічаються *, мають "внутрішній" або "паразитарний" зворотний зміщений діод тіла між стоком та джерелом. У звичайній роботі це не впливає на передбачувану роботу. Якщо FET працює у 2-му квадранті (наприклад, для N каналу Vds = -ve, Vgs = + ve) [[педантизм: зателефонуйте тому 3-му, якщо вам подобається :-)]], тоді діод тіла буде вести, коли FET повернуто вимкнено, коли Vds -ве. Є ситуації, коли це корисно і бажано, але вони не є тим, що зазвичай зустрічається, наприклад, 4 мости FET.

* Діод тіла утворюється за рахунок підкладки, на якій утворюються шари пристрою, є провідниковою. Пристрої з ізоляційною підкладкою (наприклад, кремній на Saphire) не мають цього внутрішнього діода, але зазвичай є дуже дорогим і спеціалізованим).

Це гарне запитання! Є деякі нюанси, які інші відповіді пропустили, тому я подумав, що я подзвоню.

Коротка відповідь така:

• Топологія №3 (низькосторонній N-канальний комутатор) є найбільш часто використовуваною. Оскільки вихідний термінал MOSFET підключений до землі, привід для цього заходу є простим. Підключіть ворота до землі, щоб вимкнути. Підключіть ворота до напруги 5-10В над землею, щоб увімкнути. Прочитайте таблицю даних MOSFET, і вона підкаже, яку напругу в воротах вам потрібно надати.

Коли ви ніколи не використовували б цю топологію? Єдина головна причина цього - якщо у вас є навантаження, для якої необхідно забезпечити приєднання одного клеми до заземлення для забезпечення електричної безпеки або мінімізації електромагнітного випромінювання / сприйнятливості. Деякі двигуни / вентилятори / насоси / нагрівачі / тощо повинні робити це, і в цьому випадку ви змушені використовувати високу топологію №1 або №2.

• N-канальний вимикач високої сторони (Топологія №1) має кращі показники порівняно з порівняно за розміром / ціною P-канального високого бічного вимикача, але привід затвора є складнішим і повинен бути відносно джерела NOS-каналу MOSFET термінал, який змінюється залежно від комутації ланцюга, але існують спеціалізовані ІК-накопичувачі, які призначені для керування високомобільними N-канальними MOSFETS. Застосування високої напруги або високої потужності зазвичай використовують цю топологію.

• Перемикач високої сторони P-каналу (Топологія №2) має гірші показники порівняно з порівняно за розміром / ціною N-канального високого бічного вимикача, але привід затвора простий: підключіть ворота до позитивної рейки ("+ 400В" у вашому малюнок), щоб вимкнути його та підключити ворота до напруги, яка на 5-10 В нижче позитивної рейки, щоб увімкнути його. Ну, переважно прості. При низькій напрузі живлення (5-15 В) ви можете просто підключити ворота до землі, щоб увімкнути MOSFET. При більш високих напругах (15-50 В) часто можна створювати зміщення напруги за допомогою резистора і стабілітрону. Вище 50 В, або якщо комутатор повинен швидко вмикатися, це стає непрактичним, і ця топологія використовується рідше.

• Остання топологія №4 (низькосторонній P-канальний комутатор) має найгірший з усіх світів (гірша продуктивність пристрою, складна схема приводу воріт) і по суті ніколи не використовується.

Більш детальну дискусію я написав у публікації в блозі .

Ви не вказуєте, чи є напруга керування щодо землі або чи може вона плавати.

Схема 3 - найбільш практична схема N-каналів. Джерело знаходиться на фіксованій напрузі відносно землі, а це означає, що ви можете надати фіксовану напругу на джерело воріт для управління ним. MOSFET буде "увімкнено" десь від +2,5 до + 12В над землею, залежно від пристрою.

Схема 1 хитра. Коли MOSFET вимкнено, джерело є дещо плаваючим вузлом (уявіть, подільник резистора з величезним верхнім резистором), що сидить десь близько до нуля. Коли MOSFET увімкнено, джерело буде дуже близьким до 400В, припускаючи насичення. Джерело, що рухається, означає, що напруга керування між затвором і землею також повинна рухатися, щоб увімкнути MOSFET.

Схема 1 краще, якщо ви керуєте напругою керування на джерело MOSFET, а не на заземлення. Це тривіально, якщо ви збираєтесь керувати MOSFET з ШІМ-сигналом з достатньо невеликим часом, щоб дозволити використовувати імпульсний трансформатор або драйвер зарядного насоса. Фіксація керуючої напруги до джерела MOSFET означає, що MOSFET може плисти вгору та вниз, як хоче, не впливаючи на привід.

Схема 2 прямолінійна як схема 3. Якщо напруга керування посилається на землю, доведення 397,5 В до 388 В від воріт до землі (від 2,5 до -12 В від воріт до джерела) увімкне MOSFET. Джерело фіксовано (завжди на рівні + 400В), тому керування затвором означає, що вам потрібно фіксовану напругу. (Якщо ваш автобус 400В не обвалиться, але це вже інше питання).

Схема 4, як схема 2, хитра. Коли MOSFET вимкнено, джерело сидить близько 400В. Коли він увімкнений, він впаде майже до нуля. Змінне джерело означає змінний запас воріт щодо землі, що знову є безладною пропозицією.

Загалом, тримайте джерела виправленими, де це можливо, або якщо вони повинні плавати, використовуйте плаваючий пристрій для управління ними.