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

Думаю, пришло время понять принцип работы транзисторов MOSFET ...

Иллюстрация четырех разных возможностей

Предположим, что:

  • Я хочу переключить напряжение на резистивную нагрузку транзистором MOSFET.
  • Любой сигнал управления от -500 В до + 500 В может быть легко сгенерирован.
  • Модели транзисторов на изображении не важны, они также могут быть любой другой подходящей модели.

Вопрос № 1
Какая из методов вождения возможна? Я имею в виду, какой из этих четырех схем будет работать с правильно поданными управляющими сигналами?

Вопрос № 2
Каков диапазон уровня напряжения управляющих сигналов (CS1, CS2, CS3, CS4), который нагружает и выгружает резистор? (Я понимаю, что точные границы состояний включения и выключения должны рассчитываться индивидуально, но я прошу приблизительные значения, чтобы понять принцип работы. Просьба дать такие выражения, как « В схеме (2) транзистор включается, когда CS2 ниже 397 В и выключается, когда выше 397 В. ".)

38 голосов | спросил hkBattousai 1 stEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowThu, 01 Sep 2011 16:46:40 +0400 2011, 16:46:40

3 ответа


20

Все схемы возможны при правильном управлении, но 2 & 3 гораздо более распространены, гораздо легче вести себя хорошо и гораздо безопаснее, не делая ничего плохого.

Вместо того, чтобы дать вам набор ответов на основе напряжения, я дам вам некоторые общие правила, которые намного полезнее, если вы их поймете.

  • МОП-транзисторы имеют безопасные максимальные Vgs или Vsg, за которыми они могут быть уничтожены. Это обычно примерно одинаково в любом направлении и является большей частью толщины слоя конструкции и оксидного слоя.

  • MOSFET будет включен, когда Vg находится между V и Vgsm

    • В положительном направлении для N полевых полевых транзисторов.
    • В отрицательном направлении для полевых FET каналов.

Это имеет смысл контролировать полевые транзисторы в вышеуказанных схемах.

Определите напряжение Vgsm как максимальное напряжение, при котором затвор может быть более безопасным, чем источник.
Определите -Vgsm как самое большее, что Vg может быть отрицательным относительно s.

Определите Vth как напряжение, при котором затвор должен быть включен, чтобы включить FET. Vth - + ve для N полевых полевых транзисторов и отрицательный для P-канальных полевых транзисторов.


SO

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

Цепь 2
MOSFET безопасен для Vgs в диапазоне +/- Vgsm.
 MOSFET включен для - Vgs> -Vth (т. Е. Ворота более отрицательны, чем сток по величине Vth.

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

Цепь 4 Точно так же, как схема 2
т.е. напряжения относительно FET идентичны. Опять же, не удивительно, когда вы думаете об этом. НО Vg теперь будет ~ = 400 В ниже шины 400 В в любое время.

т. е. разница в схемах связана с напряжением Vg для заземления для N Channel FET и + 400V для P-канала FET. FET не «знает» абсолютное напряжение, при котором его ворота находятся, он только «заботится» о напряжении по источнику.


Связанный - возникнет по пути после описанного выше обсуждения:

  • MOSFETS являются переключателями «2 квадранта». То есть для N-канального переключателя, где полярность затвора и стока относительно источника в «4 квадрантах» может быть + +, + -, - - и - +, MOSFET включается с

    • Vds = + ve и Vgs + ve

    ИЛИ

    • Vds отрицательный и Vgs положительный

Добавлено в начале 2016 года:

Q: Вы упомянули, что схемы 2 & 3 очень распространены, почему это?  Коммутаторы могут работать в обоих квадрантах, что позволяет выбрать канал P на N канал, с высокой стороны на низкую сторону? â € «

A: Это в значительной степени рассматривается в оригинальном ответе, если вы тщательно его переживаете. Но ...

ВСЕ цепи работают только в 1-м квадранте, когда включено: . Ваш вопрос о работе в 2 квадранте указывает на непонимание этих четырех схем. Я упомянул о двухступенчатой ​​операции в конце (выше), но это не имеет отношения к нормальной работе. Все 4 из вышеперечисленных схем работают в своем первом квадранте - то есть полярность Vgs = полярность Vds во все времена при включении.
Возможна операция 2-го квадранта, т. Е.  Полярность Vgs = - полярность Vds во всех случаях при включении
НО это обычно вызывает осложнения из-за встроенного «диода тела» в полевых транзисторах - см. Раздел «Диод тела» в конце.

В схемах 2 & 3 напряжение на затворе всегда лежит между рельсами питания, что делает ненужным использование «специальных» аранжировок для получения напряжений привода.

В цепи 1 привод затвора должен быть выше направляющей 400 В, чтобы получить достаточно Vgs для включения MOSFET.

В цепи 4 напряжение затвора должно быть ниже земли.

Для достижения таких напряжений часто используются схемы «бутстрап», которые обычно используют «насос» диодного конденсатора, чтобы обеспечить дополнительное напряжение.

Общей договоренностью является использование 4 x N канала в мосту.
2 x низкая сторонаУ полевых транзисторов есть обычный привод затвора - скажем, 0/12 В, а для 2-х высокоскоростных полевых транзисторов (здесь) sav 412V для подачи + 12V в высокочастотные полевые транзисторы, когда FET включен. Это не технически сложно, а делать больше, больше идти не так и должно быть спроектировано. Питание бутстрапа часто управляется сигналами переключения ШИМ, поэтому есть более низкая частота, при которой вы все еще получаете привод верхнего затвора. Выключите AC, и напряжение бутстрапа начнет разрушаться при утечке. Опять же, не сложно, просто приятно избегать.

Использование канала 4 x N «приятно» как все согласованы,
Rdson обычно ниже для одного и того же $, чем P-канала.
ПРИМЕЧАНИЕ !!!: Если пакеты изолированы вкладкой или использовать изолированный монтаж, все могут идти вместе на одном радиаторе - НО ПРИНИМАЙТЕ ПОДРАЗУМЕВАЕМЫЕ! !!
В этом случае

  • Нижние 2 имеют

    • переключение 400 В на стоках и

    • Источники
    • заземлены,

    • ворота имеют значение 0/12V.

while

  • верхние 2 имеют

    • постоянный 400 В на стоках и

    • переключение 400 В на источники и

    • 400/412 V на воротах.

Диод тела: Все FETS, которые обычно встречаются *, имеют «внутренний» или «паразитический» обратный смещенный внутренний диод между сливом и источником. При нормальной работе это не влияет на предполагаемую работу. Если полевой транзистор работает в 2-м квадранте (например, для N-канала Vds = -ve, Vgs = + ve) [[педантизм: вызовите это 3-е место, если хотите :-)]], тогда диод тела будет вестись, когда полевой транзистор повернут когда Vds -ve. Бывают ситуации, когда это полезно и желательно, но это не то, что обычно встречается, например, в 4 FET-мостах.

* Внутренний диод образуется из-за того, что подложка, на которой сформированы слои устройства, является проводящей. Устройство с изолирующей подложкой (например, Silicon on Saphire) не имеет этого внутреннего диода корпуса, но обычно очень дорогостоящее и специализированное).

ответил Russell McMahon 1 stEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowThu, 01 Sep 2011 17:55:28 +0400 2011, 17:55:28
12

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

Короткий ответ следующий:

  • Наиболее часто используется топология № 3 (низкочастотный N-канальный коммутатор). Поскольку терминал источника MOSFET подключен к земле, привод затвора для этого прост. Подключите ворота к земле, чтобы выключить. Подключите вентилятор к напряжению 5-10 В над землей, чтобы включить его. Прочтите таблицу данных MOSFET, и она сообщит вам, какое напряжение на входе вам нужно предоставить.

Когда бы вы не использовали эту топологию? Единственная серьезная причина для этого - иметь нагрузку, которая должна иметь один терминал, привязанный к заземлению цепи, для обеспечения электробезопасности или для сведения к минимуму электромагнитного излучения /восприимчивости. Некоторые двигатели /вентиляторы /насосы /нагреватели /etc должны делать это, и в этом случае вы вынуждены использовать топологию с высокой стороны # 1 или # 2.

  • N-канальный коммутатор с высокой скоростью (топология №1) имеет лучшую производительность, чем высокопроизводительный коммутатор P-channel со сравнимым по размеру /цене, но привод затвора более сложный и должен быть относительно N-канальный источник MOSFET-источника, который изменяется в зависимости от того, как переключаются схемы, но есть специализированные ИС привода затвора, которые предназначены для управления N-канальными МОП-транзисторами с высокой стороны. Высоковольтные или высокомощные приложения обычно используют эту топологию.

  • Высокочастотный коммутатор P-канала (топология № 2) имеет худшую производительность, чем высокопроизводительный N-канальный коммутатор с сопоставимым размером /стоимостью, но привод затвора прост: подключите ворота к положительной шине ( «+ 400 В» на вашем рисунке), чтобы отключить его, и подключите затвор к напряжению на 5-10 В ниже положительного рельса, чтобы включить его. Ну, в основном простой. При низком напряжении питания (5-15 В) вы можете просто подключить ворота к земле, чтобы включить MOSFET. При более высоких напряжениях (15-50 В) вы можете часто создавать источник смещения с резистором и стабилитроном. Выше 50 В, или если коммутатор должен быстро включаться, это становится непрактичным, и эта топология реже используется.

  • Последняя топология # 4 (low-side P-channel switch) имеет наихудший из всех миров (хуже производительность устройства, сложная схема привода затвора) и по существу никогда не используется.

Я написал более подробное обсуждение в сообщении в блоге .

ответил Jason S 2 ndEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowFri, 02 Sep 2011 06:00:59 +0400 2011, 06:00:59
11

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

Цепь 3 - наиболее практичная схема N-канала. Источник имеет фиксированное напряжение относительно земли, что означает, что вы можете обеспечить постоянное напряжение затвора для его управления. В зависимости от устройства MOSFET будет «включен» где-либо от +2,5 до +12V над землей.

Цепь 1 сложна. Когда MOSFET выключен, источник представляет собой несколько плавающий узел (представьте себе резисторный делитель с огромным резистором), сидящим где-то близко к нулю. Когда MOSFET включен, источник будет очень близок к 400V при условии насыщения. Движущий источник означает, что управляющее напряжение затвора должно быть также перемещено, чтобы включить MOSFET.

Цепь 1 лучше, если вы ссылаетесь на 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 использовать импульсный трансформатор или драйвер зарядного насоса. Фиксация управляющего напряжения на источнике MOSFET означает, что MOSFET может плавать вверх и вниз по своему усмотрению, не влияя на привод.

Цепь 2 прямолинейна, как схема 3. Если управляющее напряжение относится к земле, то с 397,5 до 388 В от затвора до земли (от -2,5 до -12 В от затвора к источнику) включается MOSFET. Источник зафиксирован (всегда на + 400 В), поэтому управление затвором означает, что вам требуется постоянное напряжение. (Если ваша шина 400 В не рушится, но это еще одна проблема).

Цепь 4, как схема 2, сложна. Когда MOSFET выключен, источник находится около 400V. Когда он включен, он упадет почти до нуля. Переменный источник означает переменную подачу затвора относительно земли, что снова является беспорядочным предложением.

В общем, держите источники, где это возможно, или, если им приходится плавать, используйте плавающий источник для их управления.

ответил Adam Lawrence 1 stEurope/Moscowp30Europe/Moscow09bEurope/MoscowThu, 01 Sep 2011 23:54:42 +0400 2011, 23:54:42

Похожие вопросы

Популярные теги

security × 330linux × 316macos × 2827 × 268performance × 244command-line × 241sql-server × 235joomla-3.x × 222java × 189c++ × 186windows × 180cisco × 168bash × 158c# × 142gmail × 139arduino-uno × 139javascript × 134ssh × 133seo × 132mysql × 132