การสลับ DC ด้วย MOSFET: p-Channel หรือ n-Channel; โหลดด้านข้างต่ำหรือโหลดด้านข้างสูง?

ฉันคิดว่ามันเป็นเวลาที่ฉันเข้าใจหลักการทำงานของทรานซิสเตอร์ MOSFET ...

สมมติว่า;

• ฉันต้องการสลับแรงดันไฟฟ้าบนโหลดตัวต้านทานโดยทรานซิสเตอร์ MOSFET
• สัญญาณควบคุมใด ๆ ระหว่าง -500V ถึง + 500V สามารถสร้างได้อย่างง่ายดาย
• แบบจำลองทรานซิสเตอร์ในภาพไม่สำคัญพวกมันสามารถเป็นแบบอื่นที่เหมาะสมเช่นกัน

คำถาม # 1
เทคนิคการขับขี่แบบใดที่เป็นไปได้? ฉันหมายถึงวงจรสี่วงจรนี้จะทำงานกับสัญญาณควบคุมที่ใช้อย่างถูกต้องหรือไม่

คำถาม # 2
อะไรคือช่วงของระดับแรงดันไฟฟ้าของสัญญาณควบคุม (CS1, CS2, CS3, CS4) ที่โหลดและยกเลิกการโหลดตัวต้านทาน? (ฉันเข้าใจว่าขอบเขตที่แน่นอนของการเปิดและปิดต้องคำนวณเป็นรายบุคคล แต่ฉันขอค่าโดยประมาณเพื่อทำความเข้าใจหลักการทำงานโปรดระบุข้อความเช่น " ในวงจร (2) ทรานซิสเตอร์จะเปิดเมื่อ CS2 ต่ำกว่า 397V และจะดับลงเมื่อสูงกว่า 397V ".)

วงจรทั้งหมดเป็นไปได้เมื่อขับอย่างถูกต้อง แต่ 2 และ 3 เป็นเรื่องธรรมดามากขึ้นขับง่ายกว่าและปลอดภัยกว่าไม่ทำสิ่งผิด

แทนที่จะให้คำตอบตามแรงดันไฟฟ้าชุดหนึ่งคุณจะให้กฎทั่วไปบางข้อที่มีประโยชน์มากขึ้นเมื่อคุณเข้าใจ

• MOSFETs มีค่า Vgs หรือ Vsg ที่ปลอดภัยกว่าซึ่งอาจถูกทำลายได้ซึ่งมักจะมีทิศทางเดียวกันในทิศทางใดทิศทางหนึ่งและเป็นผลมาจากการก่อสร้างและความหนาของชั้นออกไซด์

• MOSFET จะเป็น "เปิด" เมื่อ Vg อยู่ระหว่าง Vth และ Vgsm

  • ในทิศทางบวกสำหรับ N Channel FETs
  • ในทิศทางลบสำหรับ P Channel FETs

เรื่องนี้ทำให้รู้สึกถึงการควบคุม FETs ในวงจรด้านบน

กำหนดแรงดันไฟฟ้า Vgsm เป็นแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่เกตอาจมีมากกว่า + แหล่งที่มาได้อย่างปลอดภัย
กำหนด -Vgsm เป็นค่าสูงสุดที่ Vg อาจเป็นค่าลบสัมพันธ์กับ s

กำหนด Vth เป็นแรงดันไฟฟ้าที่เกตต้องเป็นแหล่งกำเนิดสัญญาณเพื่อเปิด FET Vth คือ + ve สำหรับ N channel FETs และลบสำหรับ P channel FETs

ดังนั้น

วงจร 3
MOSFET ปลอดภัยสำหรับ Vgs ในช่วง +/- Vgsm
MOSFET เปิดสำหรับ Vgs> + Vth

วงจร 2
MOSFET ปลอดภัยสำหรับ Vgs ในช่วง +/- Vgsm
MOSFET เปิดใช้สำหรับ - Vgs> -Vth (เช่นเกทมีค่าเป็นลบมากกว่าท่อระบายน้ำตามขนาด Vth

วงจร 1 เหมือนกันกับวงจร 3
นั่นคือแรงดันไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับ FET เหมือนกัน ไม่แปลกใจเมื่อคุณคิดเกี่ยวกับมัน แต่ Vg จะเป็น ~ = 400V ในทุกเวลา

วงจร 4 เหมือนกันกับวงจร 2
นั่นคือแรงดันไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับ FET เหมือนกัน อย่าแปลกใจอีกเมื่อคุณคิดถึงมัน แต่ Vg จะเป็น ~ = 400V ต่ำกว่าทางรถไฟ 400V ตลอดเวลา

นั่นคือความแตกต่างในวงจรเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าของ Vg wrt กราวด์สำหรับ N Channel FET และ + 400V สำหรับ P channel FET FET ไม่ "รู้" แรงดันสัมบูรณ์ที่เกตอยู่ - เพียง "ใส่ใจ" เกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้าของแหล่ง wrt

ที่เกี่ยวข้อง - จะเกิดขึ้นระหว่างทางหลังจากการสนทนาข้างต้น:

• MOSFETS เป็นสวิตช์ '2 ควอแดรนต์' นั่นคือสำหรับการสลับช่อง N ที่ขั้วของเกตและท่อระบายเทียบกับแหล่งที่มาใน "4 quadrants" สามารถ + +, + -, - - - และ - +, MOSFET จะเปิดด้วย

  • Vds = + ve และ Vgs + ve

  หรือ

  • Vds เป็นลบและ Vgs เป็นบวก

เพิ่มในช่วงต้นปี 2016:

ถาม: คุณพูดว่าวงจร 2 และ 3 เป็นเรื่องธรรมดามากทำไมถึงเป็นเช่นนั้น
สวิทช์สามารถทำงานได้ทั้งสองด้านอะไรที่ทำให้การเลือกช่อง P กับช่อง N ด้านสูงถึงด้านต่ำ -

ตอบ: ส่วนนี้จะครอบคลุมอยู่ในคำตอบดั้งเดิมถ้าคุณทำอย่างระมัดระวัง แต่ ...

วงจรทั้งหมดทำงานเฉพาะในควอดแดนที่ 1 เมื่อเปิด:คำถามของคุณเกี่ยวกับการดำเนินการควอดเรนท์ 2 อันบ่งบอกถึงความเข้าใจผิดของวงจร 4 ด้านบน ฉันพูดถึงการใช้งานควอดเรนท์ 2 จุดในตอนท้าย (ด้านบน) แต่มันไม่เกี่ยวข้องในการทำงานปกติ วงจรทั้ง 4 ด้านบนนั้นทำงานในจตุภาคที่ 1 นั่นคือขั้ว Vgs = ขั้ว Vds ทุกครั้งเมื่อเปิดเครื่อง
การทำงานของควอดเรนที่สองเป็นไปได้เช่น
Vgs polarity = - Vds ขั้วตลอดเวลาเมื่อเปิดใช้
แต่มักจะทำให้เกิดภาวะแทรกซ้อนเนื่องจาก "ไดโอดร่างกาย" ที่อยู่ใน FET - ดูที่ส่วน "ร่างกายไดโอด" ในตอนท้าย

ในวงจร 2 และ 3 แรงดันไดรฟ์เกตจะอยู่ระหว่างรางพาวเวอร์ซัพพลายทำให้ไม่จำเป็นต้องใช้การจัดเรียงแบบ "พิเศษ" เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าของไดรฟ์

ในวงจร 1 ประตูขับจะต้องอยู่เหนือราง 400V เพื่อให้ได้ Vgs เพียงพอที่จะเปิด MOSFET

ในวงจร 4 แรงดันเกตต้องอยู่ใต้พื้นดิน

เพื่อให้เกิดแรงดันไฟฟ้าวงจร "bootstrap" เช่นนี้มักจะใช้ซึ่งมักจะใช้ตัวเก็บประจุไดโอด "ปั๊ม" เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าพิเศษ

ข้อตกลงร่วมกันคือการใช้ 4 x N Channel ในบริดจ์
FETs ด้านต่ำขนาด 2 x มีไดรฟ์เกตตามปกติ - บอกว่า 0/12 V และ FET ด้านสูง 2 อันจำเป็นต้องใช้ (ที่นี่) sav 412V เพื่อจ่าย +12 V ให้กับ FET ที่อยู่ในระดับสูงเมื่อเปิด FET เทคนิคนี้ไม่ยาก แต่ต้องทำมากกว่าทำผิดพลาดและต้องได้รับการออกแบบ แหล่งจ่าย bootstrap มักถูกขับเคลื่อนโดยสัญญาณสวิตช์ PWM ดังนั้นจึงมีความถี่ต่ำกว่าซึ่งคุณยังคงได้รับเกตขับบน ปิด AC และแรงดันเริ่มต้นบูตจะสลายตัวเมื่อมีการรั่วไหล อีกครั้งไม่ยากเพียงเพื่อหลีกเลี่ยงที่ดี

การใช้ 4 x N แชนเนลนั้น "ดี" เนื่องจาก
มีการจับคู่ทั้งหมด
Rdson มักจะต่ำกว่า $ ที่เหมือนกันคือ P
หมายเหตุ !!!:หากบรรจุภัณฑ์แยกแท็บหรือใช้การติดตั้งฉนวนทั้งหมดสามารถไปด้วยกันในฮีทซิงค์เดียวกัน - แต่ต้องใช้เวลาดูแลเนื่องจาก !!!
ในกรณีนี้

• ด้านล่าง 2 มี

  • เปิดสวิตช์ 400V บนท่อระบายน้ำและ

  • แหล่งที่มาจะลงดิน

  • ประตูอยู่ที่ 0 / 12V พูด

ในขณะที่

• 2 บนมี

  • ถาวร 400V บนท่อระบายน้ำและ

  • เปลี่ยน 400V บนแหล่งที่มาและ

  • 400/412 V บนประตู

ร่างกายไดโอด: FETS ทั้งหมดที่มักจะพบ * มี "ภายใน" หรือ "ปรสิต" ย้อนกลับลำเอียงร่างกายลำเอียงระหว่างท่อระบายน้ำและแหล่งที่มา ในการทำงานปกติสิ่งนี้จะไม่ส่งผลต่อการทำงานที่ต้องการ ถ้า FET ทำงานในจตุภาคที่ 2 (เช่นสำหรับ N Channel Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pedantry: เรียกที่ 3 ถ้าคุณชอบ :-)]] จากนั้นร่างกายไดโอดจะทำงานเมื่อ FET ถูกเปิด ปิดเมื่อ Vds -ve มีสถานการณ์ที่สิ่งนี้มีประโยชน์และเป็นที่ต้องการ แต่ไม่ใช่สิ่งที่พบได้ทั่วไปเช่นสะพาน FET 4 แห่ง

* ร่างกายไดโอดเกิดขึ้นเนื่องจากสารตั้งต้นที่ชั้นอุปกรณ์ที่เกิดขึ้นเป็นสื่อกระแสไฟฟ้า อุปกรณ์ที่มีวัสดุหุ้มฉนวน (เช่น Silicon on Saphire) ไม่มีไดโอดตัวที่อยู่ภายใน แต่มักจะมีราคาแพงและมีความเชี่ยวชาญเฉพาะ)

นี่เป็นคำถามที่ดี! มีความแตกต่างเล็กน้อยที่คำตอบอื่นพลาดไปดังนั้นฉันคิดว่าฉันจะพูดสอด

คำตอบสั้น ๆ ดังต่อไปนี้:

• โทโพโลยี # 3 (สวิตช์ N-channel ต่ำ) ใช้กันมากที่สุด เนื่องจากเทอร์มินัลต้นทาง MOSFET เชื่อมต่อกับกราวด์ไดรฟ์เกตสำหรับสิ่งนี้จึงเป็นเรื่องง่าย เชื่อมต่อ gate กับ ground เพื่อปิด เชื่อมต่อเกตกับแรงดันไฟฟ้า 5-10V เหนือพื้นดินเพื่อเปิด อ่านแผ่นข้อมูล MOSFET ของคุณและมันจะบอกคุณว่าแรงดันเกทที่คุณต้องการจัดทำคืออะไร

เมื่อใดที่คุณไม่เคยใช้โทโพโลยีนี้ เหตุผลสำคัญที่ควรทำคือถ้าคุณมีโหลดที่ต้องมีเทอร์มินัลหนึ่งตัวผูกติดกับกราวด์วงจรเพื่อความปลอดภัยทางไฟฟ้าหรือเพื่อลดการแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า / ความอ่อนแอ มอเตอร์ / พัดลม / ปั๊ม / เครื่องทำความร้อน / ฯลฯ บางอย่างต้องทำเช่นนี้ในกรณีที่คุณถูกบังคับให้ใช้โทโพโลยีด้านสูง # 1 หรือ # 2

• สวิทช์ด้านสูง N-channel (โทโพโลยี # 1) มีประสิทธิภาพที่ดีกว่าสวิตช์ P-channel ขนาดใหญ่ราคาแพง แต่ตัวขับเกตมีความซับซ้อนมากขึ้นและจะต้องสัมพันธ์กับแหล่ง N-channel MOSFET เทอร์มินัลซึ่งแตกต่างกันไปตามวงจรสวิทช์ แต่มีไอซีไดรฟ์เกทเฉพาะซึ่งมีไว้เพื่อขับมอสเฟต N-channel ระดับสูง แอปพลิเคชันแรงดันสูงหรือกำลังแรงสูงมักใช้โทโพโลยีนี้

• สวิตช์ด้านสูงของ P-channel (โทโพโลยี # 2) มีประสิทธิภาพที่แย่กว่าสวิตช์ระดับสูงของ N-channel ที่ราคาเปรียบเทียบกัน แต่ไดรฟ์เกตนั้นง่าย: เชื่อมต่อเกตไปยังรางบวก ("+ 400V" ในตัวคุณ วาดภาพ) เพื่อปิดและเชื่อมต่อเกตกับแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่า 5-10V รางบวกเพื่อเปิด ง่ายส่วนใหญ่ ที่แรงดันไฟต่ำ (5-15V) คุณสามารถเชื่อมต่อเกทกับกราวด์เพื่อเปิดมอสเฟต ที่แรงดันไฟฟ้าสูงกว่า (15-50V) คุณสามารถสร้างไบแอสที่มีตัวต้านทานและซีเนอร์ไดโอด สูงกว่า 50V หรือหากสวิตช์ต้องเปิดใช้งานอย่างรวดเร็วสิ่งนี้จะใช้งานไม่ได้และโทโพโลยีนี้มักใช้น้อยกว่า

• โทโพโลยีล่าสุด # 4 (สวิตช์ P-channel ด้านต่ำ) มีความเลวร้ายที่สุดในโลกทั้งหมด (ประสิทธิภาพของอุปกรณ์แย่ลงวงจรวงจรขับเคลื่อนของเกตที่ซับซ้อน) และไม่เคยใช้มาก่อน

ฉันได้เขียนรายละเอียดเพิ่มเติมในบล็อกโพสต์

คุณไม่ได้ระบุว่าแรงดันควบคุมเป็นไปตามพื้นหรือถ้ามันสามารถลอยได้

วงจร 3 เป็นโครงร่าง N-channel ที่ใช้งานได้จริงมากที่สุด แหล่งกำเนิดนั้นอยู่ที่แรงดันไฟฟ้าคงที่ที่เกี่ยวกับกราวด์ซึ่งหมายความว่าคุณสามารถให้แรงดันไฟฟ้าคงที่ที่มาเกตเพื่อควบคุมได้ MOSFET จะ 'เปิด' ที่ใดก็ได้จาก +2.5 ถึง + 12V เหนือพื้นดินขึ้นอยู่กับอุปกรณ์

วงจร 1 นั้นยุ่งยาก เมื่อ MOSFET ปิดอยู่แหล่งกำเนิดของโหนดแบบลอยตัว (ลองนึกภาพตัวแบ่งตัวต้านทานที่มีตัวต้านทานสูงสุดมหาศาล) ซึ่งอยู่ใกล้กับศูนย์ เมื่อเปิด MOSFET แหล่งกำเนิดจะใกล้เคียงกับ 400V มากโดยสมมติว่ามีความอิ่มตัว แหล่งเคลื่อนที่หมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ควบคุมแบบ Gate-to-Ground จะต้องเคลื่อนที่เช่นเดียวกันเพื่อให้ MOSFET ทำงานต่อไป

วงจร 1 จะดีกว่าถ้าคุณอ้างอิงแรงดันไฟฟ้าควบคุมไปยังแหล่งกำเนิดของมอสเฟตและไม่ต่อกราวด์ นี่เป็นเรื่องไม่สำคัญหากคุณต้องการขับ MOSFET ด้วยสัญญาณ PWM ที่มีขนาดเล็กตรงเวลาเพียงพอเพื่อให้สามารถใช้งานของหม้อแปลงพัลส์หรือไดรฟ์เวอร์ปั๊มจ่าย การแก้ไขแรงดันไฟฟ้าควบคุมให้เข้ากับแหล่งกำเนิดของ MOSFET หมายความว่า MOSFET สามารถลอยขึ้นและลงตามที่ต้องการโดยไม่กระทบกับไดรฟ์

วงจร 2 ตรงไปตรงมาเหมือนวงจร 3 หากแรงดันไฟฟ้าควบคุมอ้างอิงกับกราวด์ให้พิสูจน์ 397.5V ถึง 388V จากเกตไปสู่พื้นดิน (-2.5 ถึง -12V จากเกตไปยังต้นทาง) จะเปิด MOSFET แหล่งกำเนิดได้รับการแก้ไข (เสมอที่ + 400V) ดังนั้นการควบคุมเกทหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าคงที่คือสิ่งที่คุณต้องการ (เว้นแต่บัส 400V ของคุณยุบ แต่นั่นเป็นปัญหาอื่น)

วงจร 4 เหมือนวงจร 2 นั้นค่อนข้างยุ่งยาก เมื่อ MOSFET ปิดอยู่แหล่งกำเนิดจะอยู่ใกล้กับ 400V เมื่อมันเปิดอยู่มันจะตกลงมาใกล้ศูนย์ แหล่งที่มาของตัวแปรหมายถึงอุปทานของตัวแปรเกตที่เกี่ยวกับภาคพื้นดินซึ่งเป็นข้อเสนอที่ยุ่งเหยิงอีกครั้ง

โดยทั่วไปรักษาแหล่งที่มาของคุณคงที่ถ้าเป็นไปได้หรือถ้าพวกเขาต้องลอยใช้แหล่งจ่ายลอยตัวเพื่อควบคุมพวกเขา