Gleichstromschaltung mit MOSFET: p-Kanal oder n-Kanal; Niedrige Seitenlast oder hohe Seitenlast?

Ich denke, es ist an der Zeit, das Arbeitsprinzip von MOSFET-Transistoren zu verstehen ...

Nehme an, dass;

• Ich möchte durch einen MOSFET-Transistor die Spannung an einer ohmschen Last schalten.
• Jedes Steuersignal zwischen -500 V und + 500 V kann leicht erzeugt werden.
• Die Transistormodelle auf dem Bild sind nicht wichtig, sie können auch von einem anderen geeigneten Modell sein.

Frage 1
Welche der Fahrtechniken sind möglich? Ich meine, welcher dieser vier Schaltkreise würde mit korrekt angelegten Steuersignalen funktionieren?

Frage Nr. 2 In
welchem ​​Spannungsbereich der Steuersignale (CS1, CS2, CS3, CS4) wird der Widerstand geladen und entladen? (Ich verstehe, dass die exakten Grenzen der Ein- und Ausschaltzustände individuell berechnet werden müssen. Ich bitte jedoch um ungefähre Werte, um das Arbeitsprinzip zu verstehen. Geben Sie Aussagen wie " In Schaltung (2) schaltet der Transistor ein, wenn CS2 unter 397 V liegt und schaltet ab, wenn über 397V. ".)

Alle Strecken sind machbar, wenn sie richtig gefahren werden, aber 2 & 3 sind weitaus üblicher, weitaus einfacher zu fahren und weitaus sicherer, wenn man nichts falsch macht.

Anstatt Ihnen eine Reihe spannungsbasierter Antworten zu geben, gebe ich Ihnen einige allgemeine Regeln, die viel nützlicher sind, wenn Sie sie erst einmal verstanden haben.

• MOSFETs haben ein sicheres Maximum von Vgs oder Vsg, oberhalb dessen sie zerstört werden können. Dies ist normalerweise in beiden Richtungen ungefähr gleich und ist eher eine Folge der Konstruktions- und Oxidschichtdicken.

• Der MOSFET ist "ein", wenn Vg zwischen Vth und Vgsm liegt

  • In positiver Richtung für N-Kanal-FETs.
  • In negativer Richtung für P-Kanal-FETs.

Dies macht Sinn, die FETs in den obigen Schaltungen zu steuern.

Definieren Sie eine Spannung Vgsm als die maximale Spannung, bei der das Gate sicherer als die Source ist.
Definiere -Vgsm als das Maximum, das Vg im Verhältnis zu s negativ sein kann.

Definieren Sie Vth als die Spannung, die ein Gate als Source haben muss, um den FET einzuschalten. Vth ist + ve für N-Kanal-FETs und negativ für P-Kanal-FETs.

DAMIT

Der
MOSFET von Schaltung 3 ist für Vgs im Bereich +/- Vgsm sicher.
Der MOSFET ist für Vgs> + Vth eingeschaltet

Der
MOSFET von Schaltung 2 ist für Vgs im Bereich +/- Vgsm sicher.
Der MOSFET ist für -Vgs> -Vth eingeschaltet (dh das Gate ist um Vth negativer als der Drain).

Schaltung 1 Genau wie Schaltung 3,
dh die Spannungen zum FET sind identisch. Keine Überraschung, wenn Sie darüber nachdenken. ABER Vg wird jetzt zu jeder Zeit ~ = 400V sein.

Schaltung 4 Genau wie Schaltung 2,
dh die Spannungen zum FET sind identisch. Auch dies ist keine Überraschung, wenn Sie darüber nachdenken. ABER Vg wird jetzt zu jeder Zeit ~ = 400V unterhalb der 400V-Schiene sein.

dh die Differenz in den Schaltungen steht in Beziehung zu der Spannung von Vg bezüglich Masse für einen N-Kanal-FET und + 400 V für einen P-Kanal-FET. Der FET "kennt" nicht die absolute Spannung, bei der sich sein Gate befindet - er "kümmert" sich nur um Spannungen bezüglich der Quelle.

Verwandte - wird auf dem Weg nach der obigen Diskussion entstehen:

• MOSFETs sind 2-Quadranten-Schalter. Das heißt, für einen N-Kanal-Schalter, bei dem die Polarität von Gate und Drain in Bezug auf die Source in "4 Quadranten" + +, + -, - - und - + sein kann, wird der MOSFET mit eingeschaltet

  • Vds = + ve und Vgs + ve

  ODER

  • Vds negativ und Vgs positiv

Anfang 2016 hinzugefügt:

F: Sie haben erwähnt, dass die Schaltkreise 2 und 3 sehr häufig sind. Warum ist das so?
Die Schalter können in beiden Quadranten arbeiten. Warum wählt man P-Kanal zu N-Kanal, High-Side zu Low-Side? -

A: Dies wird in der ursprünglichen Antwort weitgehend behandelt, wenn Sie sie sorgfältig durchgehen. Aber ...

ALLE Kreise arbeiten nur im 1. Quadranten, wenn sie eingeschaltet sind: Ihre Frage zum 2-Quadranten-Betrieb deutet auf ein Missverständnis der obigen 4 Kreise hin. Ich erwähnte die 2-Quadranten-Operation am Ende (oben), aber sie ist im normalen Betrieb nicht relevant. Alle 4 oben genannten Schaltungen arbeiten in ihrem 1. Quadranten - dh Vgs-Polarität = Vds-Polarität zu jeder Zeit, wenn sie eingeschaltet sind.
Der Betrieb im 2. Quadranten ist möglich, dh
Vgs-Polarität = - Vds-Polarität zu jeder Zeit, wenn eingeschaltet,
ABER dies verursacht normalerweise Komplikationen aufgrund der im FET eingebauten "Body-Diode" - siehe Abschnitt "Body-Diode" am Ende.

In den Schaltungen 2 und 3 liegt die Gate-Ansteuerspannung immer zwischen den Stromversorgungsschienen, so dass es nicht erforderlich ist, "spezielle" Anordnungen zum Ableiten der Ansteuerspannungen zu verwenden.

In Schaltung 1 muss sich die Gate-Ansteuerung über der 400-V-Schiene befinden, damit genügend Vgs zum Einschalten des MOSFET vorhanden sind.

In Schaltung 4 muss die Gate-Spannung unter Masse liegen.

Um solche Spannungen zu erreichen, werden häufig "Bootstrap" -Schaltungen verwendet, die üblicherweise eine Diodenkondensator- "Pumpe" verwenden, um die zusätzliche Spannung zu erzeugen.

Eine übliche Anordnung ist die Verwendung von 4 x N-Kanälen in einer Brücke.
Die 2 x Low-Side-FETs haben eine übliche Gate-Ansteuerung - sagen wir 0/12 V, und die 2 High-Side-FETs benötigen (hier) Save 412 V, um die High-Side-FETs mit + 12 V zu versorgen, wenn der FET eingeschaltet ist. Das ist technisch nicht schwer, aber es ist mehr zu tun, mehr schief zu gehen und es muss entworfen werden. Die Bootstrap-Versorgung wird häufig von den PWM-Schaltsignalen gesteuert, sodass es eine niedrigere Frequenz gibt, bei der Sie immer noch die obere Gate-Ansteuerung erhalten. Schalten Sie die Wechselstromversorgung aus und die Bootstrap-Spannung beginnt bei Undichtigkeit zu sinken. Auch hier nicht schwer, nur schön zu vermeiden.

Die Verwendung von 4 x N-Kanälen ist "nett", da
alle übereinstimmen.
Normalerweise ist Rdson niedriger für denselben $ als P-Kanal.
HINWEIS !!!: Wenn die Packungen isoliert sind oder eine isolierte Befestigung verwenden, können alle auf demselben Kühlkörper montiert werden - ABER bitte unbedingt BEACHTEN !!!
In diesem Fall

• Die unteren 2 haben

  • schaltete 400V an den Abflüssen und

  • Quellen sind geerdet,

  • Tore sind bei 0 / 12V sagen.

während

• die oberen 2 haben

  • permanente 400V an den Abflüssen und

  • schaltete 400V an den Quellen und

  • 400/412 V an den Toren.

Body-Diode: Alle normalerweise anzutreffenden FETS * haben eine "intrinsische" oder "parasitäre" in Sperrrichtung vorgespannte Body-Diode zwischen Drain und Source. Im Normalbetrieb beeinträchtigt dies den bestimmungsgemäßen Betrieb nicht. Wenn der FET im 2. Quadranten betrieben wird (z. B. für N-Kanal Vds = -ve, Vgs = + ve) Pedanterie: Nennen Sie die 3., wenn Sie möchten :-) Die Body-Diode leitet, wenn der FET eingeschaltet wird aus, wenn Vds -ve ist. Es gibt Situationen, in denen dies nützlich und erwünscht ist, aber sie sind nicht das, was man üblicherweise in zB 4 FET-Brücken findet.

* Die Body-Diode wird gebildet, weil das Substrat, auf dem die Bauelementschichten gebildet werden, leitend ist. Geräte mit einem isolierenden Substrat (wie z. B. Silicon on Saphire) haben keine eigene Body-Diode, sind jedoch in der Regel sehr teuer und spezialisiert.

Das ist eine gute Frage! Es gibt einige Nuancen, die die anderen Antworten übersehen haben, also dachte ich, ich würde mitmachen.

Die kurze Antwort lautet wie folgt:

• Topologie Nr. 3 (Low-Side-N-Kanal-Switch) wird am häufigsten verwendet. Da der MOSFET-Source-Anschluss mit Masse verbunden ist, ist die Gate-Ansteuerung hierfür einfach. Verbinden Sie das Tor mit Masse, um es auszuschalten. Schließen Sie das Gate zum Einschalten an eine Spannung von 5-10 V über Masse an. Lesen Sie Ihr MOSFET-Datenblatt und erfahren Sie, welche Gate-Spannung Sie bereitstellen müssen.

Wann würden Sie diese Topologie jemals nicht verwenden? Dies ist vor allem dann der Fall, wenn Sie eine Last haben, bei der ein Anschluss aus Gründen der elektrischen Sicherheit oder zur Minimierung der elektromagnetischen Strahlung / Störanfälligkeit mit der Erdung des Stromkreises verbunden sein muss. Einige Motoren / Lüfter / Pumpen / Heizungen / usw. müssen dies tun. In diesem Fall müssen Sie die High-Side-Topologie Nr. 1 oder Nr. 2 verwenden.

• Ein N-Kanal-High-Side-Schalter (Topology # 1) hat eine bessere Leistung als ein vergleichbarer P-Kanal-High-Side-Schalter, aber die Gate-Ansteuerung ist komplizierter und muss relativ zur N-Kanal-MOSFET-Source sein Anschluss, der sich mit dem Schaltkreis ändert, es gibt jedoch spezielle Gate-Ansteuerungs-ICs, die High-Side-N-Kanal-MOSFETs ansteuern sollen. Hochspannungs- oder Hochleistungsanwendungen verwenden im Allgemeinen diese Topologie.

• Ein P-Kanal-High-Side-Schalter (Topology # 2) hat eine schlechtere Leistung als ein vergleichbarer N-Kanal-High-Side-Schalter, aber die Gate-Ansteuerung ist einfach: Verbinden Sie das Gate mit der positiven Schiene ("+ 400V" in Ihrem Zeichnung), um es auszuschalten, und verbinden Sie das Gate mit einer Spannung, die 5 bis 10 V unter der positiven Schiene liegt, um es einzuschalten. Meistens einfach. Bei niedrigen Versorgungsspannungen (5-15 V) können Sie das Gate im Wesentlichen nur mit Masse verbinden, um den MOSFET einzuschalten. Bei höheren Spannungen (15-50 V) können Sie häufig eine Vorspannungsversorgung mit einem Widerstand und einer Zenerdiode erstellen. Über 50 V oder wenn der Schalter schnell einschalten muss, wird dies unpraktisch und diese Topologie wird weniger häufig verwendet.

• Die letzte Topologie # 4 (Low-Side-P-Kanal-Switch) weist die schlechteste aller Welten auf (schlechtere Geräteleistung, komplexe Gate-Ansteuerschaltung) und wird im Wesentlichen nie verwendet.

Ich habe eine ausführlichere Diskussion in einem Blogbeitrag geschrieben .

Sie geben nicht an, ob die Steuerspannung in Bezug auf Masse ist oder ob sie schweben kann.

Schaltung 3 ist das praktischste N-Kanal-Schema. Die Source hat eine feste Spannung in Bezug auf Masse, was bedeutet, dass Sie eine feste Gate-Source-Spannung bereitstellen können, um sie zu steuern. Der MOSFET ist je nach Gerät zwischen +2,5 und +12 V über Grund eingeschaltet.

Schaltung 1 ist schwierig. Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, handelt es sich bei der Quelle um einen schwebenden Knoten (stellen Sie sich einen Widerstandsteiler vor, dessen oberer Widerstand sehr groß ist), der sich in der Nähe von Null befindet. Wenn der MOSFET eingeschaltet ist, liegt die Quelle unter der Annahme einer Sättigung sehr nahe an 400 V. Eine sich bewegende Quelle bedeutet, dass sich auch die Steuerspannung von Gate zu Masse bewegen müsste, um den MOSFET eingeschaltet zu halten.

Schaltung 1 ist besser, wenn Sie die Steuerspannung auf die Quelle des MOSFET und nicht auf Masse beziehen. Dies ist trivial, wenn Sie beabsichtigen, den MOSFET mit einem PWM-Signal mit einer ausreichend geringen Einschaltdauer zu betreiben, um die Verwendung eines Impulstransformators oder eines Ladungspumpentreibers zu ermöglichen. Durch das Fixieren der Steuerspannung an der Quelle des MOSFET kann der MOSFET nach Belieben auf und ab schweben, ohne den Antrieb zu beeinträchtigen.

Schaltung 2 ist wie Schaltung 3 einfach. Wenn die Steuerspannung auf Masse bezogen ist und 397,5 bis 388 V von Gate zu Masse (-2,5 bis -12 V von Gate zu Source) geprüft werden, wird der MOSFET eingeschaltet. Die Quelle ist fest (immer auf + 400V), sodass Sie zur Steuerung des Gates nur eine feste Spannung benötigen. (Es sei denn, Ihr 400-V-Bus bricht zusammen, aber das ist ein anderes Problem).

Schaltung 4 ist wie Schaltung 2 schwierig. Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, liegt die Quelle in der Nähe von 400V. Wenn es eingeschaltet ist, fällt es auf nahe Null. Eine variable Source bedeutet eine variable Gate-Versorgung in Bezug auf Masse, was wiederum eine unordentliche Angelegenheit ist.

Im Allgemeinen sollten Sie Ihre Quellen so gut wie möglich reparieren oder, wenn sie schweben müssen, eine schwebende Versorgung verwenden, um sie zu steuern.