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

Все схемы возможны при правильном вождении, но 2 и 3 гораздо более распространены, их гораздо легче вести хорошо и они намного безопаснее, если не делать что-то неправильно.

Вместо того, чтобы давать вам набор ответов, основанных на напряжении, я дам вам несколько общих правил, которые станут намного полезнее, если вы их поймете.

• МОП-транзисторы имеют безопасное максимальное значение Vgs или Vsg, за пределами которого они могут быть разрушены. Обычно это значение примерно одинаково в любом направлении и в большей степени зависит от конструкции и толщины оксидного слоя.

• МОП-транзистор будет включен, когда Vg находится между Vth и Vgsm.

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

Это имеет смысл для управления полевыми транзисторами в приведенных выше схемах.

Определите напряжение Vgsm как максимальное напряжение, при котором затвор может быть более +ve, чем источник безопасно.
Определите -Vgsm как максимально возможное отрицательное значение Vg по отношению к s.

Определите Vth как напряжение, которое затвор должен иметь относительно истока, чтобы просто включить полевой транзистор. Vth + ve для N-канальных полевых транзисторов и отрицательный для P-канальных полевых транзисторов.

ТАК

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

Схема 2
MOSFET безопасна для Vgs в диапазоне +/- Vgsm.
MOSFET включен для -Vgs>-Vth (т.е. затвор более отрицателен, чем сток на величину Vth.

Схема 1 Точно такая же, как и схема 3,
т.е. напряжения относительно полевого транзистора идентичны. Неудивительно, если подумать. НО Vg теперь всегда будет ~= 400 В.

Схема 4 Точно такая же, как схема 2,
т.е. напряжения относительно полевого транзистора идентичны. Опять же, неудивительно, если подумать. НО Vg теперь всегда будет на ~= 400 В ниже шины 400 В.

т.е. разница в цепях связана с напряжением Vg относительно земли для N-канального полевого транзистора и +400 В для P-канального полевого транзистора. Полевой транзистор не «знает» абсолютного напряжения, на котором находится его затвор, - он «заботится» только о напряжениях относительно источника.

Связанные - возникнут по пути после вышеприведенного обсуждения:

• МОП-транзисторы представляют собой двухквадрантные переключатели. То есть для N-канального переключателя, где полярность затвора и стока относительно истока в «4 квадрантах» может быть + +, + -, - - и - +, МОП-транзистор включится с

  • Vds = +ve и Vgs +ve

  ИЛИ ЖЕ

  • Vds отрицательный и Vgs положительный

Добавлено в начале 2016 года:

В: Вы упомянули, что схемы 2 и 3 очень распространены, почему?
Переключатели могут работать в обоих квадрантах, что заставляет выбирать канал P на канал N, сторону высокого напряжения на сторону низкого уровня? –

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

ВСЕ цепи работают только в 1-м квадранте, когда включены: Ваш вопрос о работе во 2-м квадранте указывает на непонимание вышеуказанных 4-х цепей. Я упомянул 2 квадрантную операцию в конце (выше), НО это не имеет отношения к нормальной работе. Все 4 схемы выше работают в своем 1-м квадранте, т. е. полярность Vgs = полярность Vds всегда при включении.
Возможна работа во 2-м квадранте, т.е.
полярность Vgs = - полярность Vds всегда при включении,
НО это обычно вызывает осложнения из-за встроенного «корпусного диода» в полевом транзисторе — см. раздел «Корпусный диод» в конце.

В схемах 2 и 3 управляющее напряжение затвора всегда находится между шинами питания, что делает ненужным использование «специальных» устройств для получения управляющих напряжений.

В схеме 1 привод затвора должен быть выше шины 400 В, чтобы получить достаточно Vgs для включения МОП-транзистора.

В схеме 4 напряжение затвора должно быть ниже земли.

Для достижения таких напряжений часто используются схемы «бутстрап», в которых обычно используется «насос» диодного конденсатора для создания дополнительного напряжения.

Обычная схема - использовать 4 канала N в мосту.
2 полевых транзистора с низкой стороной имеют обычный привод затвора - скажем, 0/12 В, а 2 полевых транзистора с высокой стороны требуют (здесь) сохранения 412 В для подачи + 12 В на полевые транзисторы с высокой стороны, когда полевой транзистор включен. Технически это несложно, но больше нужно делать, больше ошибаться и нужно проектировать. Источник питания начальной загрузки часто управляется сигналами переключения ШИМ, поэтому существует более низкая частота, при которой вы все еще получаете управление верхним затвором. Выключите переменный ток, и бутстрапное напряжение начнет падать из-за утечки. Опять же, не сложно, просто приятно избегать.

Использование 4 x N каналов «хорошо», так как
все согласованы,
Rdson обычно ниже для того же $, чем канал P.
ВНИМАНИЕ !!!: Если пакеты имеют изолированные выступы или используются изолированные крепления, все они могут быть установлены вместе на одном радиаторе, НО ОБЯЗАТЕЛЬНО соблюдайте ОСТОРОЖНОСТЬ!!!
В таком случае

• Нижние 2 имеют

  • включил 400В на канализацию и

  • источники заземлены,

  • ворота на 0/12В говорят.

пока

• верхние 2 имеют

  • постоянное 400В на стоках и

  • включил 400В на источники и

  • 400/412 В на воротах.

Внутренний диод: Все полевые транзисторы, которые обычно встречаются*, имеют «внутренний» или «паразитный» корпусной диод с обратным смещением между стоком и истоком. При нормальной работе это не влияет на предполагаемую работу. Если полевой транзистор работает во 2-м квадранте (например, для N-канала Vds = -ve, Vgs = +ve) [[педантичность: назовите это 3-м, если хотите :-) ]], тогда внутренний диод будет проводить, когда полевой транзистор повернут выключено, когда Vds равно -ve. Есть ситуации, когда это полезно и желательно, но это не то, что обычно встречается, например, в мостах с 4 полевыми транзисторами.

* Корпус диода формируется из-за того, что подложка, на которой формируются слои устройства, является проводящей. Устройства с изолирующей подложкой (например, кремний на сапфире) не имеют встроенного в корпус диода, но обычно очень дороги и специализированы).

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

Краткий ответ заключается в следующем:

• Наиболее часто используется топология №3 (N-канальный коммутатор нижней стороны). Поскольку клемма истока MOSFET подключена к земле, привод затвора для этого прост. Подключите ворота к земле, чтобы выключить. Подключите затвор к напряжению 5-10В над землей для включения. Прочтите техническое описание полевого МОП-транзистора, и в нем будет указано, какое напряжение затвора вам необходимо обеспечить.

Когда бы вы никогда не использовали эту топологию? Единственная важная причина для этого - если у вас есть нагрузка, которая должна иметь одну клемму, подключенную к заземлению цепи, для 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 переключатель верхнего плеча (топология № 1) имеет лучшую производительность, чем P-канальный переключатель верхнего плеча сравнимого размера и цены, но управление затвором более сложное и должно соответствовать N-канальному истоку MOSFET. терминал, который меняется в зависимости от переключения схемы, но существуют специализированные ИС управления затвором, которые предназначены для управления N-канальными МОП-транзисторами верхнего плеча. Эта топология обычно используется в высоковольтных или мощных приложениях.

• P-канальный переключатель верхнего плеча (топология № 2) имеет худшие характеристики, чем N-канальный переключатель верхнего плеча сравнимого размера/цены, но управление затвором простое: подключите затвор к положительной шине («+400 В» в вашем рисунок), чтобы выключить его, и подключить затвор к напряжению, которое на 5-10 В ниже положительной шины, чтобы включить его. Ну в основном просто. При низком напряжении питания (5-15 В) вы можете просто соединить затвор с землей, чтобы включить полевой МОП-транзистор. При более высоких напряжениях (15-50В) часто можно создать питание смещения резистором и стабилитроном. При напряжении выше 50 В или если переключатель должен быстро включаться, это становится непрактичным, и такая топология используется реже.

• Последняя топология № 4 (переключатель P-канала нижнего плеча) имеет худшую из всех возможных характеристик (худшая производительность устройства, сложная схема управления затвором) и практически никогда не используется.

Я написал более подробное обсуждение в блоге .

Вы не указываете, относится ли управляющее напряжение к земле или оно может плавать.

Схема 3 является наиболее практичной N-канальной схемой. Исток имеет фиксированное напряжение относительно земли, что означает, что вы можете обеспечить фиксированное напряжение затвор-исток для управления им. МОП-транзистор будет «включен» в диапазоне от +2,5 до +12 В над землей, в зависимости от устройства.

Схема 1 сложная. Когда МОП-транзистор выключен, источник представляет собой своего рода плавающий узел (представьте себе резисторный делитель с огромным верхним резистором), находящийся где-то близко к нулю. Когда МОП-транзистор включен, источник будет очень близок к 400 В при условии насыщения. Движущийся источник означает, что управляющее напряжение между затвором и землей также должно двигаться, чтобы МОП-транзистор оставался включенным.

Схема 1 лучше, если вы привязываете управляющее напряжение к источнику MOSFET, а не к земле. 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 зарядового насоса. Фиксация управляющего напряжения на источнике MOSFET означает, что MOSFET может плавать вверх и вниз по своему усмотрению, не воздействуя на привод.

Схема 2 такая же простая, как и схема 3. Если управляющее напряжение относительно земли, то при наличии напряжения от 397,5 до 388 В от затвора к земле (от -2,5 до -12 В от затвора к истоку) МОП-транзистор включится. Источник фиксирован (всегда +400 В), поэтому управление затвором означает, что вам нужно только фиксированное напряжение. (Если только ваша шина 400 В не рухнет, но это другой вопрос).

Схема 4, как и схема 2, сложна. Когда МОП-транзистор выключен, источник находится около 400 В. Когда он включен, он упадет почти до нуля. Переменный источник означает переменное питание затвора по отношению к земле, что опять-таки является запутанным предложением.

В общем, держите свои источники фиксированными, где это возможно, или, если они должны плавать, используйте плавающий источник для управления ими.