Commutazione CC con MOSFET: p-Channel o n-Channel; Carico laterale basso o Carico laterale alto?

Penso, è tempo che capisca il principio di funzionamento dei transistor MOSFET ...

Supporre che;

• Voglio passare la tensione su un carico resistivo da un transistor MOSFET.
• Qualsiasi segnale di controllo compreso tra -500 V e + 500 V può essere facilmente generato.
• I modelli di transistor nella foto non sono importanti, possono anche essere di qualsiasi altro modello appropriato.

Domanda n. 1
Quali delle tecniche di guida sono possibili? Voglio dire, quale di questi quattro circuiti funzionerebbe con segnali di controllo correttamente applicati?

Domanda n. 2
Qual è l'intervallo del livello di tensione dei segnali di controllo (CS1, CS2, CS3, CS4) che carica e scarica la resistenza? (Comprendo che i limiti esatti degli stati on e off devono essere calcolati individualmente. Ma sto chiedendo valori approssimativi per comprendere il principio di funzionamento. Si prega di fornire dichiarazioni come " Nel circuito (2), il transistor si attiva quando CS2 è inferiore a 397 V e si spegne quando supera i 397 V. ".)

Tutti i circuiti sono fattibili se guidati correttamente, ma 2 e 3 sono molto più comuni, molto più facili da guidare bene e molto più sicuri se non si fanno cose sbagliate.

Invece di darti una serie di risposte basate sulla tensione, ti darò alcune regole generali che sono molto più utili una volta comprese.

• I MOSFET hanno un Vgs o Vsg massimo sicuro oltre il quale possono essere distrutti. Questo è solitamente lo stesso in entrambe le direzioni ed è più il risultato della costruzione e degli spessori dello strato di ossido.

• MOSFET sarà "acceso" quando Vg è compreso tra Vth e Vgsm

  • In una direzione positiva per i FET N Channel.
  • In direzione negativa per FET canale P.

Ciò ha senso nel controllare i FET nei circuiti di cui sopra.

Definire una tensione Vgsm come la massima tensione che il gate può essere più + ve della sorgente sicura.
Definire -Vgsm come il massimo che Vg può essere negativo rispetto a s.

Definire Vth come la tensione che un gate deve essere generato come sorgente per attivare il FET. Vth è + ve per i FET del canale N e negativo per i FET del canale P.

COSÌ

Il
MOSFET del circuito 3 è sicuro per Vgs nel range +/- Vgsm.
MOSFET è attivo per Vgs> + Vth

Il
MOSFET di circuito 2 è sicuro per Vgs nel range +/- Vgsm.
MOSFET è attivo per - Vgs> -Vth (ovvero il gate è più negativo di drain per magnitudine di Vth.

Circuito 1 Esattamente uguale al circuito 3,
ovvero le tensioni relative al FET sono identiche. Nessuna sorpresa quando ci pensi. MA Vg ora sarà ~ = 400V a tutti i tempi.

Circuito 4 Esattamente identico al circuito 2,
ovvero le tensioni relative al FET sono identiche. Ancora una volta, nessuna sorpresa quando ci pensi. MA Vg ora sarà ~ = 400 V sotto la guida 400 V in ogni momento.

cioè la differenza nei circuiti è correlata alla tensione di Vg wrt ground per un FET del canale N e + 400V per un FET del canale P. Il FET non "conosce" la tensione assoluta alla quale è collegato il suo gate - si preoccupa solo della tensione rispetto alla sorgente.

Correlati - sorgeranno lungo la strada dopo la discussione di cui sopra:

• I MOSFET sono interruttori '2 quadranti'. Cioè, per uno switch di canale N in cui la polarità di gate e drain rispetto alla sorgente in "4 quadranti" può essere + +, + -, - - e - +, il MOSFET si accenderà con

  • Vds = + ve e Vgs + ve

  O

  • Vds negativo e Vgs positivo

Aggiunto all'inizio del 2016:

D: Hai detto che i circuiti 2 e 3 sono molto comuni, perché?
Gli interruttori possono funzionare in entrambi i quadranti, cosa consente di scegliere un canale da P a N, da alto a basso? -

A: Questo è in gran parte coperto nella risposta originale se lo attraversi attentamente. Ma ...

TUTTI i circuiti funzionano solo nel 1 ° quadrante quando sono accesi: la tua domanda sul funzionamento a 2 quadranti indica un fraintendimento dei 4 circuiti sopra. Ho menzionato l'operazione a 2 quadranti alla fine (sopra) MA non è rilevante nel normale funzionamento. Tutti e 4 i circuiti sopra funzionano nel loro 1 ° quadrante, ovvero polarità Vgs = polarità Vds in ogni momento quando sono accesi.
È possibile il funzionamento del 2 ° quadrante, ovvero la
polarità Vgs = - la polarità Vds in ogni momento quando viene accesa
MA questo di solito causa complicazioni dovute al "diodo corporeo" incorporato nel FET - vedere la sezione "Diodo corporeo" alla fine.

Nei circuiti 2 e 3 la tensione dell'azionamento del gate è sempre tra le rotaie dell'alimentazione, rendendo superfluo l'uso di disposizioni "speciali" per ricavare le tensioni dell'azionamento.

Nel circuito 1 il gate drive deve trovarsi sopra la guida da 400 V per ottenere abbastanza Vgs per accendere il MOSFET.

Nel circuito 4 la tensione del gate deve essere sotto terra.

Per ottenere tali tensioni vengono spesso utilizzati circuiti "bootstrap" che di solito utilizzano una "pompa" di condensatori a diodi per fornire la tensione aggiuntiva.

Una disposizione comune è quella di utilizzare 4 canali N in un bridge.
I 2 FET sul lato inferiore hanno il normale drive gate - diciamo 0/12 V, e i 2 FET sul lato alto necessitano (qui) di risparmiare 412 V per fornire +12 V ai FET sul lato alto quando il FET è acceso. Questo non è tecnicamente difficile ma è più da fare, altro da sbagliare e deve essere progettato. L'alimentazione del bootstrap è spesso guidata dai segnali di commutazione PWM, quindi c'è una frequenza più bassa alla quale si ottiene ancora il drive del gate superiore. Spegnere la corrente alternata e la tensione del bootstrap inizia a decadere sotto dispersione. Ancora una volta, non difficile, bello da evitare.

L'uso del canale 4 x N è "bello" poiché
tutti sono abbinati,
Rdson è generalmente più basso per lo stesso $ del canale P.
NOTA !!!: Se i pacchi sono a linguetta isolata o usano un montaggio isolato, tutti possono andare insieme sullo stesso dissipatore di calore - MA prenderti la dovuta CURA !!!
In questo caso

• I 2 inferiori hanno

  • acceso 400V sugli scarichi e

  • le fonti sono radicate,

  • le porte sono a 0 / 12V dire.

mentre

• i 2 superiori hanno

  • 400V permanente sugli scarichi e

  • acceso 400V sulle fonti e

  • 400/412 V sui cancelli.

Diodo corporeo: tutti i FET che di solito si incontrano * hanno un diodo corporeo polarizzato al contrario "intrinseco" o "parassitario" tra drenaggio e sorgente. Nel normale funzionamento ciò non influisce sul funzionamento previsto. Se il FET viene operato nel 2 ° quadrante (ad es. Per N canale Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pedanteria: chiamalo 3 ° se ti piace :-)]], il diodo corporeo effettuerà quando si gira il FET spento quando Vds è -ve. Ci sono situazioni in cui ciò è utile e desiderato, ma non sono ciò che si trova comunemente in 4 ponti FET.

* Il diodo corporeo è formato perché il substrato su cui sono formati gli strati del dispositivo è conduttivo. I dispositivi con un substrato isolante (come Silicon on Saphire), non hanno questo diodo intrinseco per il corpo, ma di solito sono molto costosi e specializzati).

Questa è una buona domanda! Ci sono alcune sfumature che le altre risposte hanno perso, quindi ho pensato di entrare.

La risposta breve è la seguente:

• La topologia n. 3 (interruttore del canale N lato basso) è la più comunemente usata. Poiché il terminale sorgente MOSFET è collegato a terra, il gate drive per questo è semplice. Collegare il cancello a terra per spegnere. Collegare il gate a una tensione di 5-10 V da terra per accenderlo. Leggi la tua scheda tecnica MOSFET e ti dirà quale tensione di gate devi fornire.

Quando non useresti mai questa topologia? L'unico motivo principale per farlo è se si dispone di un carico che deve avere un terminale collegato alla terra del circuito, per la sicurezza elettrica o per ridurre al minimo le radiazioni elettromagnetiche / suscettibilità. Alcuni motori / ventole / pompe / riscaldatori / ecc. Devono farlo, nel qual caso sei costretto a utilizzare la topologia high-side n. 1 o n. 2.

• Un interruttore high-side del canale N (Topologia n. 1) ha prestazioni migliori rispetto a un switch high-side del canale P di dimensioni / prezzi comparabili, ma il gate drive è più complicato e deve essere relativo alla sorgente MOSFET del canale N terminale, che varia a seconda degli interruttori di circuito, ma ci sono circuiti integrati specializzati per gate drive che sono destinati a pilotare MOSFET a canale N high-side. Le applicazioni ad alta tensione o ad alta potenza utilizzano generalmente questa topologia.

• Un interruttore high-side del canale P (Topologia n. 2) ha prestazioni peggiori rispetto a un switch high-side del canale N di dimensioni / prezzi comparabili, ma il gate drive è semplice: collega il gate al binario positivo ("+ 400V" nel tuo disegno) per spegnerlo e collegare il gate a una tensione che è di 5-10 V sotto la guida positiva per accenderlo. Bene, per lo più semplice. A basse tensioni di alimentazione (5-15 V), è possibile semplicemente collegare il gate a terra per accendere il MOSFET. A tensioni più elevate (15-50 V), è spesso possibile creare un'alimentazione di polarizzazione con un resistore e un diodo zener. Al di sopra di 50 V o se l'interruttore deve accendersi rapidamente, questo diventa poco pratico e questa topologia viene utilizzata meno spesso.

• L'ultima topologia n. 4 (switch del canale P lato basso) presenta il peggiore dei mondi (peggiori prestazioni del dispositivo, circuito di azionamento del gate complesso) e non viene praticamente mai utilizzata.

Ho scritto una discussione più dettagliata in un post sul blog .

Non si specifica se la tensione di controllo è rispetto alla terra o se può galleggiare.

Il circuito 3 è lo schema N-channel più pratico. La sorgente ha una tensione fissa rispetto alla terra, il che significa che è possibile fornire una tensione fissa gate-source per controllarla. Il MOSFET sarà 'acceso' ovunque da +2,5 a +12 V da terra, a seconda del dispositivo.

Il circuito 1 è complicato. Quando il MOSFET è spento, la sorgente è in qualche modo un nodo fluttuante (immagina un divisore di resistore con la resistenza superiore enorme) seduto da qualche parte vicino allo zero. Quando il MOSFET è acceso, la sorgente sarà molto vicina a 400 V supponendo la saturazione. Una sorgente mobile indica che la tensione di controllo da gate a terra dovrebbe spostarsi anche per mantenere attivo il MOSFET.

Il circuito 1 è migliore se si fa riferimento alla tensione di controllo alla sorgente del MOSFET e non a terra. Ciò è banale se si intende guidare il MOSFET con un segnale PWM con un tempo di attivazione sufficientemente piccolo da consentire l'uso di un trasformatore di impulsi o di un driver della pompa di carica. Fissare la tensione di controllo alla fonte del MOSFET significa che il MOSFET può galleggiare su e giù come vuole, senza influire sull'azionamento.

Il circuito 2 è semplice come il circuito 3. Se la tensione di controllo è riferita a terra, provando da 397,5 V a 388 V da gate a terra (da -2,5 a -12 V da gate a sorgente) si accenderà il MOSFET. La sorgente è fissa (sempre a + 400 V), quindi controllare il gate significa che è sufficiente una tensione fissa. (A meno che il bus 400V non collassi, ma questo è un altro problema).

Il circuito 4, come il circuito 2, è complicato. Quando il MOSFET è spento, la sorgente si trova vicino a 400V. Quando è acceso, cadrà quasi a zero. Una sorgente variabile significa un'alimentazione variabile del gate rispetto al suolo, che è di nuovo una proposta disordinata.

In generale, mantieni le fonti fisse ove possibile, o se devono galleggiare, usa un rifornimento galleggiante per controllarle.