使用 MOSFET 切换直流:p 沟道或 n 沟道;低侧负载还是高侧负载?

电器工程 晶体管 场效应管 直流 控制
2022-01-13 06:23:08

我想,是时候了解 MOSFET 晶体管的工作原理了……

四种不同可能性的插图

假设;

  • 我想通过 MOSFET 晶体管切换电阻负载上的电压。
  • 可以轻松生成-500V 到+500V 之间的任何控制信号。
  • 图片中的晶体管模型并不重要,它们也可以是任何其他合适的模型。

问题 #1
哪些驾驶技术是可行的?我的意思是,这四个电路中的哪一个可以正确应用控制信号?

问题 #2
加载和卸载电阻器的控制信号(CS1、CS2、CS3、CS4)的电压电平范围是多少?(我知道必须单独计算开启和关闭状态的确切边界。但我要求近似值以理解工作原理。请给出类似“在电路(2)中,晶体管在CS2低于397V时开启并在高于 397V 时关闭。 "。)

3个回答

正确驱动时,所有电路都是可行的,但 2 和 3 更常见,更容易驱动良好并且更安全,不会做错事。

我不会给你一组基于电压的答案,而是给你一些一般规则,一旦你理解了它们就会更加有用。

  • MOSFET 具有安全的最大 Vgs 或 Vsg,超过该值可能会被破坏,这通常在任一方向上大致相同,并且更多地是结构和氧化层厚度的结果。

  • 当 Vg 介于 Vth 和 Vgsm 之间时,MOSFET 将“导通”

    • N 通道 FET 的正方向。
    • P 通道 FET 为负方向。

这对控制上述电路中的 FET 是有意义的。

将电压 Vgsm 定义为栅极可以安全地高于源极 +ve 的最大电压。
将 -Vgsm 定义为 Vg 相对于 s 可能为负的最大值。

将 Vth 定义为栅极必须作为源才能打开 FET 的电压。对于 N 沟道 FET,Vth 为 +ve,而对于 P 沟道 FET,Vth 为负。


所以

电路 3
MOSFET 对于 +/- Vgsm 范围内的 Vgs 是安全的。
MOSFET 在 Vgs> +Vth 时导通

电路 2
MOSFET 对于 +/- Vgsm 范围内的 Vgs 是安全的。
MOSFET 在 - Vgs > -Vth 时导通(即,栅极比漏极负 Vth 幅度更大。

电路 1 与电路 3 完全相同,
即相对于 FET 的电压相同。仔细想想就不足为奇了。但是 Vg 现在将始终为 ~= 400V。

电路 4 与电路 2 完全相同,
即相对于 FET 的电压相同。再一次,当你想到它时也就不足为奇了。但是 Vg 现在将始终低于 400V 电压轨 ~= 400V。

即,电路中的差异与 N 通道 FET 的 Vg wrt 接地电压和 P 通道 FET 的 +400V 电压有关。FET 不“知道”其栅极的绝对电压——它只“关心”与源电压有关的电压。


相关的——经过上面的讨论,一路上会出现:

  • MOSFET 是“2 象限”开关。也就是说,对于一个 N 沟道开关,在“4 象限”中栅极和漏极相对于源极的极性可以是 + +、+ -、- - 和 - +,MOSFET 将开启

    • Vds = +ve 和 Vgs +ve

    要么

    • Vds 负和 Vgs 正

2016 年初添加:

问:你提到电路2和3很常见,这是为什么呢?
开关可以在两个象限中工作,是什么让一个选择P通道到N通道,高端到低端?

答:如果您仔细阅读,这在原始答案中已基本涵盖。但 ...

所有电路在打开时仅在第一象限运行:您关于 2 象限运行的问题表明对上述 4 个电路的误解。我在最后(上图)提到了 2 象限操作,但它与正常操作无关。上述所有 4 个电路都在其第一象限中运行 - 即 Vgs 极性 = Vds 极性在开启时始终处于工作状态。
可以进行第二象限操作,即
Vgs 极性 = - 打开时始终保持 Vds 极性,
但是由于 FET 中内置的“体二极管”,这通常会导致并发症 - 请参见最后的“体二极管”部分。

在电路 2 和 3 中,栅极驱动电压始终位于电源轨之间,因此无需使用“特殊”布置来获得驱动电压。

在电路 1 中,栅极驱动器必须高于 400V 电压轨才能获得足够的 Vgs 来开启 MOSFET。

在电路 4 中,栅极电压必须低于地电压。

为了达到这样的电压,经常使用“自举”电路,通常使用二极管电容器“泵”来提供额外的电压。

一种常见的安排是在​​桥中使用 4 x N 通道。
2 个低侧 FET 具有通常的栅极驱动 - 例如 0/12 V,而 2 个高侧 FETS 需要(此处)节省 412V,以便在 FET 开启时为高侧 FETS 提供 +12V。这在技术上并不难,但要做的事情更多,出错的地方更多,必须设计。自举电源通常由 PWM 开关信号驱动,因此您仍然可以在较低的频率下获得上栅极驱动。关闭交流电,自举电压开始在泄漏下衰减。同样,不难,只是很好避免。

使用 4 x N 通道“很好”,因为
所有通道都匹配,
相同 $ 的 Rdson 通常低于 P 通道。
注意!!!:如果包装是隔离标签或使用绝缘安装,所有这些都可以一起放在同一个散热器上 - 但请务必小心!
在这种情况下

  • 较低的2有

    • 在漏极上切换 400V 和

    • 源接地,

    • 门在 0/12V 说。

尽管

  • 上2个有

    • 排水管上的永久 400V 和

    • 在源上切换 400V 和

    • 门上的 400/412 V。

体二极管:通常遇到的所有 FET* 在漏极和源极之间都有一个“本征”或“寄生”反向偏置体二极管。在正常操作中,这不会影响预期操作。如果 FET 在第 2 象限中运行(例如,对于 N 通道 Vds = -ve,Vgs = +ve)[[pedantry: 如果你愿意,请称之为第 3 象限 :-) ]] 那么当 FET 导通时,体二极管将导通当 Vds 为 -ve 时关闭。在某些情况下,这是有用且理想的,但它们不是常见的,例如 4 个 FET 电桥。

*由于形成器件层的基板是导电的,因此形成了体二极管。具有绝缘衬底的器件(例如蓝宝石上的硅)没有这种固有的体二极管,但通常非常昂贵且专门)。

这是一个很好的问题!其他答案遗漏了一些细微差别,所以我想我会插话。

简短的回答如下:

  • 拓扑#3(低侧 N 沟道开关)是最常用的。由于 MOSFET 源极端子接地,因此栅极驱动很简单。将栅极接地以关闭。将栅极连接到高于地面 5-10V 的电压以打开。阅读您的 MOSFET 数据表,它会告诉您需要提供的栅极电压。

你什么时候不使用这个拓扑?这样做的唯一主要原因是,如果您的负载需要将一个端子连接到电路接地,以确保电气安全或最大限度地减少电磁辐射/敏感性。一些电机/风扇/泵/加热器/等必须这样做,在这种情况下,您将被迫使用高端拓扑 #1 或 #2。

  • N 沟道高端开关(拓扑 #1)比同等尺寸/价格的 P 沟道高端开关性能更好,但栅极驱动更复杂,并且必须与 N 沟道 MOSFET 源极相关终端,随电路开关而变化,但有专门的栅极驱动 IC 用于驱动高端 N 沟道 MOSFET。高压或大功率应用通常使用这种拓扑结构。

  • P 通道高边开关(拓扑 #2)的性能比同等尺寸/价格的 N 通道高边开关更差,但栅极驱动很简单:将栅极连接到正轨(您的电源中的“+400V”绘图)将其关闭,并将栅极连接到正轨以下 5-10V 的电压以将其打开。嗯,主要是简单的。在低电源电压 (5-15V) 下,您基本上只需将栅极接地即可打开 MOSFET。在较高电压 (15-50V) 下,您通常可以使用电阻器和齐纳二极管创建偏置电源。高于 50V,或者如果开关必须快速开启,这将变得不切实际,并且这种拓扑结构不太常用。

  • 最后一种拓扑 #4(低侧 P 沟道开关)是世界上最差的(器件性能更差,栅极驱动电路复杂),基本上从未使用过。

我在博客文章中写了更详细的讨论。

您没有指定控制电压是否相对于地,或者它是否可以浮动。

电路 3 是最实用的 N 通道方案。源相对于地处于固定电压,这意味着您可以提供固定的栅源电压来控制它。MOSFET 将在 +2.5 到 +12V 以上的任何地方“开启”,具体取决于设备。

电路 1 很棘手。当 MOSFET 关闭时,源极有点像一个浮动节点(想象一个电阻分压器,顶部电阻很大),位于接近零的某个位置。当 MOSFET 开启时,假设饱和,源极将非常接近 400V。移动源意味着栅极对地控制电压也必须移动以保持 MOSFET 导通。

如果您将控制电压参考到 MOSFET 的源极而不是接地,则电路 1 会更好。如果您打算使用导通时间足够短的 PWM 信号来驱动 MOSFET 以允许使用脉冲变压器或电荷泵驱动器,那么这很简单。将控制电压固定到 MOSFET 的源极意味着 MOSFET 可以随意上下浮动,而不会影响驱动。

电路 2 与电路 3 一样简单。如果控制电压以地为参考,证明从栅极到地的 397.5V 到 388V(从栅极到源极的-2.5 到 -12V)将打开 MOSFET。源是固定的(始终为 +400V),因此控制栅极意味着您只需要一个固定电压。(除非您的 400V 总线崩溃,但这是另一个问题)。

与电路 2 一样,电路 4 也很棘手。当 MOSFET 关闭时,源极接近 400V。当它打开时,它将下降到接近零。可变源意味着相对于地的可变栅极电源,这又是一个混乱的命题。

一般来说,尽可能保持源固定,或者如果它们必须浮动,请使用浮动电源来控制它们。