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

Alle Schaltungen sind machbar, wenn sie richtig gefahren werden, aber 2 & 3 sind viel häufiger, viel einfacher gut zu fahren und viel sicherer, wenn man nichts falsch macht.

Anstatt Ihnen eine Reihe von spannungsbasierten Antworten zu geben, gebe ich Ihnen einige allgemeine Regeln, die viel nützlicher sind, sobald Sie sie verstanden haben.

• MOSFETs haben eine sichere maximale Vgs oder Vsg, jenseits derer sie zerstört werden können. Dies ist normalerweise in beiden Richtungen ungefähr gleich und eher auf die Konstruktion und die Dicke der Oxidschicht zurückzuführen.

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

  • In eine positive Richtung für N-Kanal-FETs.
  • In negativer Richtung für P-Kanal-FETs.

Dies ist sinnvoll, um die FETs in den obigen Schaltungen zu steuern.

Definieren Sie eine Spannung Vgsm als die maximale Spannung, bei der Gate sicher mehr + ve als Source sein kann.
Definieren Sie -Vgsm als höchstens, dass Vg relativ zu s negativ sein darf.

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

SO

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

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

Schaltung 1 Genau wie Schaltung 3,
dh die Spannungen am FET sind identisch. Kein Wunder, wenn man darüber nachdenkt. ABER Vg wird jetzt zu jeder Zeit ~ = 400 V sein.

Schaltung 4 Genau wie Schaltung 2,
dh die Spannungen am FET sind identisch. Auch hier keine Überraschung, wenn man darüber nachdenkt. ABER Vg liegt jetzt jederzeit ~= 400 V unter der 400-V-Schiene.

dh der Unterschied in den Schaltungen bezieht sich auf die Spannung von Vg gegenüber Masse für einen N-Kanal-FET und +400 V für einen P-Kanal-FET. Der FET "kennt" die absolute Spannung seines Gates nicht - er "kümmert" sich nur um Spannungen an der Quelle.

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

• MOSFETS sind 2-Quadranten-Schalter. Das heißt, bei einem N-Kanal-Schalter, bei dem die Polarität von Gate und Drain relativ zur Source in "4 Quadranten" + +, + -, - - und - + sein kann, schaltet der MOSFET mit ein

  • Vds = +ve und Vgs +ve

  ODER

  • Vds negativ und Vgs positiv

Anfang 2016 hinzugefügt:

F: Sie haben erwähnt, dass die Schaltungen 2 & 3 sehr verbreitet sind, warum ist das so?
Die Schalter können in beiden Quadranten arbeiten, was bringt einen dazu, P-Kanal zu N-Kanal, High-Side zu Low-Side zu wählen? –

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

ALLE Schaltungen arbeiten nur im 1. Quadranten, wenn sie eingeschaltet sind: Ihre Frage zum 2-Quadranten-Betrieb weist auf ein Missverständnis der obigen 4 Schaltungen hin. Ich habe den 2-Quadranten-Betrieb am Ende (oben) erwähnt, ABER er ist im Normalbetrieb 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, wenn eingeschaltet,
ABER dies verursacht normalerweise Komplikationen aufgrund der eingebauten "Body-Diode" im FET - siehe Abschnitt "Body-Diode" am Ende.

In den Schaltungen 2 und 3 liegt die Gate-Ansteuerspannung immer zwischen den Stromversorgungsschienen, wodurch es unnötig wird, "spezielle" Anordnungen zum Ableiten der Ansteuerspannungen zu verwenden.

In Schaltung 1 muss der Gate-Treiber über der 400-V-Schiene liegen, um genügend Vgs zum Einschalten des MOSFET zu erhalten.

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

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

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) 412 V, um +12 V an die High-Side-FETs zu liefern, wenn der FET eingeschaltet ist. Dies ist technisch nicht schwierig, aber es ist mehr zu tun, mehr schief zu gehen und muss entworfen werden. Die Bootstrap-Versorgung wird oft von den PWM-Schaltsignalen angesteuert, sodass es eine niedrigere Frequenz gibt, bei der Sie immer noch eine obere Gate-Ansteuerung erhalten. Schalten Sie den Wechselstrom aus und die Bootstrap-Spannung beginnt unter Leckage abzufallen. Wieder nicht schwer, nur schön zu vermeiden.

Die Verwendung eines 4 x N-Kanals ist "nett", da
alle übereinstimmen,
Rdson ist normalerweise niedriger für denselben $ als der P-Kanal.
HINWEIS !!!: Wenn Pakete isoliert sind oder eine isolierte Montage verwenden, können alle zusammen auf demselben Kühlkörper montiert werden - ABER seien Sie vorsichtig!!!
In diesem Fall

• Die unteren 2 haben

  • 400V auf die Drains geschaltet und

  • Quellen sind geerdet,

  • Gates sind sagen wir bei 0/12V.

während

• die oberen 2 haben

  • permanent 400V an den Abflüssen u

  • geschaltet 400V auf die Quellen und

  • 400/412 V an den Toren.

Body-Diode: Alle üblicherweise anzutreffenden FETS* haben eine „intrinsische“ oder „parasitäre“ in Sperrichtung vorgespannte Body-Diode zwischen Drain und Source. Im Normalbetrieb hat dies keinen Einfluss auf den bestimmungsgemäßen Betrieb. Wenn der FET im 2. Quadranten betrieben wird (z. B. für N-Kanal Vds = -ve, Vgs = +ve) [[Pedanterie: Nennen Sie das 3., wenn Sie möchten :-) ]], dann leitet die Bodydiode, wenn der FET gedreht wird aus, wenn Vds -ve ist. Es gibt Situationen, in denen dies nützlich und erwünscht ist, aber dies ist nicht das, was üblicherweise in z. B. 4-FET-Brücken zu finden ist.

*Die Body-Diode wird gebildet, weil das Substrat, auf dem die Bauelementschichten gebildet werden, leitfähig ist. Bauelemente mit einem isolierenden Substrat (z. B. Silizium auf Saphir) haben diese intrinsische Body-Diode nicht, sind aber normalerweise sehr teuer und spezialisiert).

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

Die kurze Antwort lautet wie folgt:

• Topologie Nr. 3 (Low-Side-N-Kanal-Schalter) wird am häufigsten verwendet. Da der Source-Anschluss des MOSFET mit Masse verbunden ist, ist die Gate-Ansteuerung dafür einfach. Schließen Sie das Gate zum Ausschalten an Masse an. Schließen Sie das Gate zum Einschalten an eine Spannung von 5-10 V über Masse an. Lesen Sie Ihr MOSFET-Datenblatt und es wird Ihnen sagen, welche Gate-Spannung Sie bereitstellen müssen.

Wann würden Sie diese Topologie jemals nicht verwenden? Der einzige Hauptgrund dafür ist, wenn Sie eine Last haben, bei der ein Anschluss aus Gründen der elektrischen Sicherheit oder zur Minimierung der elektromagnetischen Strahlung/Empfindlichkeit mit der Schaltungserde 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 (Topologie Nr. 1) hat eine bessere Leistung als ein P-Kanal-High-Side-Schalter vergleichbarer Größe/Preis, aber die Gate-Ansteuerung ist komplizierter und muss relativ zur N-Kanal-MOSFET-Quelle sein Klemme, die je nach Schaltung variiert, aber es gibt spezialisierte Gate-Treiber-ICs, die High-Side-N-Kanal-MOSFETs ansteuern sollen. Hochspannungs- oder Hochleistungsanwendungen verwenden im Allgemeinen diese Topologie.

• Ein P-Kanal-High-Side-Schalter (Topologie Nr. 2) hat eine schlechtere Leistung als ein N-Kanal-High-Side-Schalter vergleichbarer Größe/Preis, aber die Gate-Ansteuerung ist einfach: Verbinden Sie das Gate mit der positiven Schiene ("+400 V" in Ihrem Zeichnung), um es auszuschalten, und verbinden Sie Gate mit einer Spannung, die 5-10 V unter der positiven Schiene liegt, um es einzuschalten. Nun, meistens einfach. Bei niedrigen Versorgungsspannungen (5-15 V) können Sie das Gate im Wesentlichen einfach 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. Oberhalb von 50 V oder wenn der Schalter schnell einschalten muss, wird dies unpraktisch und diese Topologie wird seltener verwendet.

• Die letzte Topologie Nr. 4 (Low-Side-P-Kanal-Schalter) hat die schlechteste aller Welten (schlechtere Geräteleistung, komplexe Gate-Treiberschaltung) 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 Masse eingeschaltet.

Schaltung 1 ist knifflig. Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, ist die Quelle eine Art schwebender Knoten (stellen Sie sich einen Widerstandsteiler mit einem enormen oberen Widerstand vor), der irgendwo nahe Null sitzt. Wenn der MOSFET eingeschaltet ist, liegt die Quelle unter der Annahme einer Sättigung sehr nahe bei 400 V. Eine sich bewegende Source bedeutet, dass sich auch die Gate-Masse-Steuerspannung bewegen müsste, um den MOSFET eingeschaltet zu halten.

Schaltung 1 ist besser, wenn Sie die Steuerspannung auf die Source des MOSFET und nicht auf Masse beziehen. Dies ist trivial, wenn Sie beabsichtigen, den MOSFET mit einem PWM-Signal mit ausreichend kleiner Einschaltzeit anzusteuern, um die Verwendung eines Impulstransformators oder Ladungspumpentreibers zu ermöglichen. Das Fixieren der Steuerspannung an der Source des MOSFET bedeutet, dass der MOSFET nach Belieben auf und ab schweben kann, ohne den Antrieb zu beeinträchtigen.

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

Schaltung 4, wie Schaltung 2, ist knifflig. Wenn der MOSFET ausgeschaltet ist, liegt die Quelle in der Nähe von 400 V. 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.

Halten Sie Ihre Quellen im Allgemeinen nach Möglichkeit fest, oder wenn sie schweben müssen, verwenden Sie eine schwebende Versorgung, um sie zu kontrollieren.