Beralih DC dengan MOSFET: p-Channel atau n-Channel; Beban Sisi Rendah atau Beban Sisi Tinggi?

Saya pikir, sudah saatnya saya memahami prinsip kerja transistor MOSFET ...

Seandainya;

• Saya ingin mengganti tegangan pada beban resistif oleh transistor MOSFET.
• Setiap sinyal kontrol antara -500V dan + 500V dapat dengan mudah dihasilkan.
• Model transistor dalam gambar tidak penting, mereka dapat berupa model lain yang sesuai juga.

Pertanyaan # 1
Teknik mengemudi mana yang layak? Maksudku, yang mana dari empat sirkuit ini yang akan bekerja dengan sinyal kontrol yang diterapkan dengan benar?

Pertanyaan # 2
Berapa kisaran level tegangan sinyal kontrol (CS1, CS2, CS3, CS4) yang memuat dan menurunkan resistor? (Saya mengerti bahwa batas eksak dan mati harus dihitung secara individual. Tapi saya meminta nilai perkiraan untuk memahami prinsip kerja. Tolong beri pernyataan seperti " Di sirkuit (2), transistor akan menyala ketika CS2 di bawah 397V dan mati ketika di atas 397V. ".)

Semua sirkuit layak bila digerakkan dengan benar, tetapi 2 & 3 jauh lebih umum, jauh lebih mudah dikendarai dengan baik dan jauh lebih aman, tidak melakukan kesalahan.

Daripada memberikan Anda serangkaian jawaban berbasis tegangan, saya akan memberi Anda beberapa aturan umum yang jauh lebih berguna setelah Anda memahaminya.

• MOSFET memiliki Vgs atau Vsg maksimum aman di luar yang dapat dihancurkan, ini biasanya hampir sama di kedua arah dan lebih merupakan hasil dari konstruksi dan ketebalan lapisan oksida.

• MOSFET akan "aktif" ketika Vg berada di antara Vth dan Vgsm

  • Dalam arah positif untuk FET Saluran.
  • Dalam arah negatif untuk FET Saluran.

Ini masuk akal mengendalikan FET di sirkuit di atas.

Tentukan Vgsm tegangan sebagai tegangan maksimum yang mungkin gerbang lebih dari sumber dengan aman.
Tetapkan -Vgsm sebagai yang paling banyak bahwa Vg mungkin negatif relatif terhadap s.

Tentukan Vth sebagai tegangan yang harus dimiliki sumber gerbang untuk menghidupkan FET. Vth adalah + ve untuk FETs saluran N dan negatif untuk FET saluran P.

BEGITU

Sirkuit 3
MOSFET aman untuk Vgs dalam kisaran +/- Vgsm.
MOSFET aktif untuk Vgs> + Vth

Sirkuit 2
MOSFET aman untuk Vgs dalam kisaran +/- Vgsm.
MOSFET aktif untuk - Vgs> -Vth (yaitu gerbang lebih negatif daripada tiriskan dengan besarnya Vth.

Sirkuit 1 Persis sama dengan sirkuit 3
yaitu tegangan relatif terhadap FET identik. Tidak mengherankan bila Anda memikirkannya. TAPI Vg sekarang akan ~ = 400V sama sekali waktunya.

Sirkuit 4 Persis sama dengan sirkuit 2
yaitu tegangan relatif terhadap FET identik. Sekali lagi, tidak mengejutkan ketika Anda memikirkannya. TAPI Vg sekarang akan ~ = 400V di bawah 400V rail setiap saat.

yaitu perbedaan dalam sirkuit terkait dengan tegangan ground Vg untuk N Channel FET dan + 400V untuk FET saluran P. FET tidak "tahu" tegangan absolut gerbangnya - itu hanya "peduli" tentang sumber tegangan wrt.

Terkait - akan muncul di sepanjang jalan setelah diskusi di atas:

• MOSFET adalah sakelar '2 kuadran'. Yaitu, untuk sakelar saluran N di mana polaritas gerbang dan tiriskan relatif terhadap sumber di "4 kuadran" dapat + +, + -, - -, dan - +, MOSFET akan menyala dengan

  • Vds = + ve dan Vgs + ve

  ATAU

  • Vds negatif dan Vgs positif

Ditambahkan awal 2016:

T: Anda menyebutkan bahwa sirkuit 2 & 3 sangat umum, mengapa begitu?
Switch dapat bekerja di kedua kuadran, apa yang membuat seseorang memilih saluran P ke saluran N, sisi tinggi ke sisi rendah? -

J: Ini sebagian besar tercakup dalam jawaban asli jika Anda menjalaninya dengan hati-hati. Tapi ...

SEMUA sirkuit hanya beroperasi di kuadran 1 ketika: Pertanyaan Anda tentang 2 operasi kuadran menunjukkan kesalahpahaman dari 4 sirkuit di atas. Saya menyebutkan 2 operasi kuadran pada akhir (di atas) TETAPI itu tidak relevan dalam operasi normal. Semua 4 dari sirkuit di atas beroperasi di kuadran 1 mereka - yaitu Vgs polaritas = Vds polaritas setiap saat ketika dihidupkan.
Operasi kuadran kedua dimungkinkan yaitu
Vgs polaritas = - Vds polaritas setiap saat ketika dihidupkan
NAMUN ini biasanya menyebabkan komplikasi karena "body diode" inbuilt di FET - lihat bagian "Body Diode" di akhir.

Di sirkuit 2 & 3 tegangan drive gerbang selalu terletak di antara rel catu daya, sehingga tidak perlu menggunakan pengaturan "khusus" untuk menurunkan tegangan drive.

Di sirkuit 1 drive gerbang harus di atas rel 400V untuk mendapatkan cukup Vgs untuk mengaktifkan MOSFET.

Di sirkuit 4 tegangan gerbang harus di bawah tanah.

Untuk mencapai voltase seperti itu "sirkuit bootstrap" sering digunakan yang biasanya menggunakan "pompa" kapasitor dioda untuk memberikan tegangan ekstra.

Pengaturan yang umum adalah menggunakan 4 x N Channel di jembatan.
2 x FET sisi rendah memiliki drive gerbang biasa - katakan 0/12 V, dan 2 FET sisi tinggi perlu (di sini) sa 412V untuk memasok + 12V ke FET sisi tinggi ketika FET dihidupkan. Secara teknis ini tidak sulit tetapi lebih untuk dilakukan, lebih banyak salah dan harus dirancang. Pasokan bootstrap sering digerakkan oleh sinyal switching PWM sehingga ada frekuensi yang lebih rendah di mana Anda masih mendapatkan drive gerbang atas. Matikan AC dan voltase bootstrap mulai membusuk karena bocor. Sekali lagi, tidak sulit, hanya baik untuk dihindari.

Menggunakan saluran 4 x N "baik" karena
semua cocok,
Rdson biasanya lebih rendah untuk $ yang sama dari saluran P.
CATATAN !!!: Jika paket adalah tab yang terisolasi atau menggunakan pemasangan yang terisolasi, semua dapat berjalan bersama pada heatsink yang sama - TETAPI lakukan CARE !!!
Pada kasus ini

• Semakin rendah 2 miliki

  • beralih 400V pada saluran air dan

  • sumber didasarkan,

  • gerbang berada di 0 / 12V katakanlah.

sementara

• 2 atas miliki

  • permanen 400V pada saluran dan

  • beralih 400V pada sumber dan

  • 400/412 V di gerbang.

Body diode: Semua FETS yang biasanya dijumpai * memiliki dioda tubuh "intrinsik" atau "parasit" yang terbalik antara drain dan sumber. Dalam operasi normal ini tidak mempengaruhi operasi yang dimaksud. Jika FET dioperasikan di kuadran ke-2 (mis. Untuk N Channel Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pedantry: panggil ke-3 jika Anda suka :-)]] maka dioda tubuh akan melakukan ketika FET diaktifkan mati ketika VDS -ve. Ada situasi di mana ini berguna dan diinginkan tetapi mereka tidak seperti yang biasa ditemukan di misalnya 4 jembatan FET.

* Dioda tubuh terbentuk karena substrat tempat lapisan perangkat terbentuk konduktif. Perangkat dengan substrat isolasi (seperti Silicon on Saphire), tidak memiliki dioda tubuh intrinsik ini, tetapi biasanya sangat mahal dan terspesialisasi.

Ini pertanyaan yang bagus! Ada beberapa nuansa yang terlewatkan oleh jawaban lain, jadi saya pikir saya akan berpadu.

Jawaban singkatnya adalah sebagai berikut:

• Topologi # 3 (saklar saluran N sisi rendah) adalah yang paling umum digunakan. Karena terminal sumber MOSFET terhubung ke ground, drive gerbang untuk ini sederhana. Hubungkan gerbang ke ground untuk mematikan. Hubungkan gerbang ke tegangan 5-10V di atas tanah untuk menghidupkan. Baca lembar data MOSFET Anda dan itu akan memberi tahu Anda apa gerbang tegangan yang Anda butuhkan.

Kapan Anda tidak akan menggunakan topologi ini? Satu-satunya alasan utama untuk melakukannya adalah jika Anda memiliki beban yang harus memiliki satu terminal yang diikat ke sirkuit, untuk keamanan listrik atau untuk meminimalkan radiasi / kerentanan elektromagnetik. Beberapa motor / kipas / pompa / pemanas / dll harus melakukan ini, dalam hal ini Anda terpaksa menggunakan topologi sisi-tinggi # 1 atau # 2.

• Sakelar sisi-tinggi saluran-N (Topologi # 1) memiliki kinerja yang lebih baik daripada sakelar sisi-saluran-P ukuran tinggi dengan harga yang sebanding, tetapi drive gerbang lebih rumit, dan harus relatif terhadap sumber MOSFET saluran-N terminal, yang berbeda-beda ketika sakelar berganti, tetapi ada IC penggerak gerbang khusus yang dimaksudkan untuk menggerakkan MOSFET saluran-N sisi-tinggi. Aplikasi bertegangan tinggi atau berdaya tinggi umumnya menggunakan topologi ini.

• Switch sisi-tinggi P-channel (Topologi # 2) memiliki kinerja yang lebih buruk daripada sakelar sisi-tinggi N-channel yang sebanding dengan harga yang sebanding, tetapi drive gerbang sederhana: sambungkan gerbang ke rel positif ("+ 400V" di menggambar) untuk mematikannya, dan hubungkan gerbang ke tegangan yang 5-10V di bawah rel positif untuk menyalakannya. Yah, kebanyakan sederhana. Pada tegangan suplai rendah (5-15V), Anda pada dasarnya hanya dapat menghubungkan gerbang ke tanah untuk menyalakan MOSFET. Pada tegangan yang lebih tinggi (15-50V), Anda sering dapat membuat pasokan bias dengan resistor dan dioda zener. Di atas 50V, atau jika saklar harus menyala cepat, ini menjadi tidak praktis dan topologi ini lebih jarang digunakan.

• Topologi terakhir # 4 (saklar P-channel sisi rendah) memiliki yang terburuk dari semua dunia (kinerja perangkat yang lebih buruk, sirkuit drive gate kompleks) dan pada dasarnya tidak pernah digunakan.

Saya telah menulis diskusi yang lebih rinci dalam posting blog .

Anda tidak menentukan apakah voltase kontrol terkait dengan pentanahan, atau jika itu bisa mengambang.

Sirkuit 3 adalah skema saluran-N paling praktis. Sumbernya berada pada tegangan tetap sehubungan dengan pembumian, yang berarti Anda dapat memberikan tegangan sumber gerbang tetap untuk mengendalikannya. The MOSFET akan 'on' di mana saja dari +2.5 ke + 12V di atas tanah, tergantung pada perangkat.

Sirkuit 1 rumit. Ketika MOSFET dimatikan, sumbernya agak mengambang (bayangkan pembagi resistor dengan resistor atas sangat besar) duduk di suatu tempat mendekati nol. Ketika MOSFET aktif, sumber akan sangat dekat dengan 400V dengan asumsi saturasi. Sumber yang bergerak berarti bahwa tegangan kontrol gerbang-ke-tanah harus bergerak juga untuk menjaga MOSFET tetap hidup.

Sirkuit 1 lebih baik jika Anda merujuk tegangan kontrol ke sumber MOSFET dan tidak ke ground. Ini sepele jika Anda bermaksud untuk menggerakkan MOSFET dengan sinyal PWM dengan waktu yang cukup kecil untuk memungkinkan penggunaan transformator denyut atau driver pompa pengisian daya. Memperbaiki tegangan kontrol ke sumber MOSFET berarti MOSFET dapat melayang naik dan turun sesuai keinginan, tanpa memengaruhi drive.

Sirkuit 2 langsung seperti sirkuit 3. Jika tegangan kontrol direferensikan ke ground, membuktikan 397.5V ke 388V dari gate to ground (-2.5 hingga -12V dari gate to source) akan mengaktifkan MOSFET. Sumbernya tetap (selalu pada + 400V) jadi mengendalikan gerbang berarti Anda harus menggunakan voltase tetap. (Kecuali jika bus 400V Anda runtuh, tapi itu masalah lain).

Sirkuit 4, seperti sirkuit 2, rumit. Ketika MOSFET dimatikan, sumber berada di dekat 400V. Ketika diaktifkan, itu akan jatuh ke dekat nol. Sumber variabel berarti pasokan gerbang variabel sehubungan dengan ground, yang lagi-lagi merupakan proposisi yang berantakan.

Secara umum, pertahankan sumber Anda tetap jika memungkinkan, atau jika harus mengambang, gunakan pasokan mengambang untuk mengendalikannya.