Ist es besser, bei einem MOSFET (n-Kanal) eine höhere Vgs als Vds zu haben?

Die Konfiguration, die Sie haben, ist ein High-Side-Schalter. Wenn der MOSFET vollständig eingeschaltet ist, ist VS = VD (unter der Annahme eines sehr niedrigen RDSon und damit eines geringen Spannungsabfalls). Dafür muss VG jedoch ausreichend hoch sein, beispielsweise 10 bis 12 V höher als VS. Aus diesem Grund funktioniert VG = 18 V besser als VG = 12 oder sogar VG = 14 V. Da für diese niedrigeren Spannungen die VGS nur 0 V und 2 V beträgt. Nicht genug, um richtig einzuschalten, was zu einer Verlustleistung führt. In dieser Konfiguration ist eine Ladungspumpe erforderlich.

Als Nebenbemerkung: Wenn Sie einen N-Kanal-MOSFET in einer Low-Side-Konfiguration verwenden, kann VDS problemlos mehr als VGS sein, da VGS bestimmt, wie viel MOSFET eingeschaltet ist. Zum Beispiel VDS von 20 V mit einem VGS von 10 V.

Ja, das ist der springende Punkt, wenn Sie einen MOSFET als Schalter verwenden möchten. Informieren Sie sich über die Betriebsbereiche eines MOSFET.

Es ist wie ein Ventil. Wenn Sie es als Schalter verwenden und den Durchfluss nicht modulieren oder drosseln möchten (wie bei einem Verstärker), öffnen Sie das Ventil so weit wie möglich (treiben Sie den MOSFET so stark wie möglich an), damit das, was durch das Rohr fließen kann, durchfließt das Rohr. Natürlich gibt es eine Grenze für den Durchmesser des Rohrs. Wenn also genug Wasser fließt, um den Durchmesser des Rohrs zu füllen, wird ein weiteres Öffnen des Ventils den Durchfluss nicht erhöhen. Es gibt eine ähnliche Grenze für MOSFETs (sie könnten zuerst überhitzen, bevor sie jemals an den Punkt kommen, an dem sie jedoch keinen zusätzlichen Strom mehr leiten können).

Nur um klar zu sein, Sie "setzen" Vds nicht. Vds ist die Spannung an den Source-Drain-Anschlüssen des MOSFET. Es ist nicht Ihre Versorgungsspannung.

Sie legen dann eine Spannung über die Gate-Source-Anschlüsse des MOSFET an. Das ist wichtig. Sie legen keine Spannung an den Gate-Anschluss relativ zur Masse an. Dem MOSFET ist es egal, was Masse ist. In diesem Fall kann es nicht einmal, wenn es wollte, da es keine mit Masse verbundenen Anschlüsse hat. Es kann den Boden nicht sehen. Das einzige, was ihn interessiert, ist die Spannung an seinen Gate- und Source-Anschlüssen.

Vds reagiert dann entsprechend und wenn der MOSFET mehr und mehr einschaltet, nimmt Vds ab. Irgendwann sinkt Vds unter die Vgs, die Sie anwenden. Wenn Sie Vgs immer höher treiben, schaltet der MOSFET immer mehr ein und Vds sinkt weiter bis zu dem Punkt, an dem der MOSFET keinen Strom mehr durchleiten kann.

Die meisten MOSFETs benötigen eine Vgs von mindestens 10 V, vorzugsweise 15 V, um sich vollständig einzuschalten. MOSFETs auf Logikebene benötigen nur 5 V, 3,3 V oder sogar 1,8 V. Am einfachsten ist es, die Vgs zu überprüfen, die verwendet wurden, um den Rdson im Datenblatt zu erhalten. Vgs_threshold ignorieren. Als Schalter ist das nicht sinnvoll. Natürlich können Sie auch die IV-Kurven verwenden.

Erinnern Sie sich, als ich sagte, der MOSFET kümmert sich nur um die Spannung zwischen Gate- und Source-Anschluss? Nicht GND? In Ihrer Schaltung legen Sie eine Spannung an das Gate relativ zur Masse an. Da liegen die Probleme.

Wenn Sie eine Spannung an das Gate relativ zur Masse anlegen, schaltet sich der MOSFET ein, aber wenn er einschaltet, steigt die Spannung über der Induktivität und der Last an, was die Source-Spannung nach oben drückt. Das Ergebnis ist, dass die Gate-Source-Spannung verringert wird, da die Spannung, die Sie an das Gate anlegen, auf Masse bezogen ist und nicht ansteigt, selbst wenn die Source-Spannung ansteigt.

Der Weg, dies zu umgehen, besteht darin, einen Treiber zu verwenden, der eine Gate-Treiberspannung relativ zum Source-Anschluss (nicht Masse) anlegt. Ein sogenannter High-Side-Gate-Treiber.

Der gebräuchlichste High-Side-Gate-Treiber ist eine Bootstrap-Diode und ein Kondensator. Diese sind nicht in der Lage, einen Arbeitszyklus von 100 % zu erreichen, da der Kondensator, der relativ zu GND aufgeladen und dann hochgeladen wird, um zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen zu liegen, regelmäßig aufgefrischt werden muss. Diese Auffrischung erfolgt normalerweise, indem ein Transistor auf der Low-Side (der in Ihrer Schaltung nicht vorhanden ist) in einer Halbbrückenkonfiguration periodisch eingeschaltet wird. Dieser Low-Side-Transistor ersetzt die Diode in Ihrer Schaltung.

Alternativ könnten Sie ein PMOS verwenden. Auf der Low-Seite ist der Source-Anschluss eines NMOS mit der festen Masseschiene verbunden. Das macht es einfach, damit zu arbeiten. Auf der High-Seite ist bei Verwendung eines PMOS der Source-Anschluss an der positiven Schiene befestigt. Dies macht es einfacher, als zu versuchen, einen Source-Anschluss zu jagen, dessen Spannung schwebend ist.

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

• Wenn Ihre Gate-Treiber-Signalquelle einen Logikpegel hat, muss Ihr NMOS einen kompatiblen Logikpegel haben, um eingeschaltet zu werden.
• Die NMOS max Vds muss natürlich 12 V überstehen können.
• max |Vgs| ist immer kleiner als |Vds|. Für ein PMOS in dieser Position, dessen Gate ganz auf Masse gezogen ist, ist der begrenzende Faktor die maximale Vgs, nicht die maximale Vds. Die Vgs müssen in der Lage sein, die Gate-Source-Spannungsdifferenz zu überstehen, wenn das Gate ganz auf Masse gezogen wird. Wenn dies nicht möglich ist, muss die Schaltung so modifiziert werden, dass das Gate weit genug unter die +12-V-Schiene gezogen wird, um den MOSFET einzuschalten, aber nicht ganz auf Masse, wo er durchbrennt (am einfachsten ist die Verwendung von Zenerklemmen).
• R1 wurde der Einfachheit halber verwendet, verlangsamt jedoch Dinge, die wahrscheinlich nicht akzeptabel sind, wenn Sie mit hohen Frequenzen wie 120 kHz schalten. Um dies zu umgehen, ist eine kompliziertere "Gate-Treiberschaltung", wie sie genannt wird, erforderlich. Beispielsweise eine Push-Pull-Gate- oder Totem-Pull-Gate-Treiberstufe, die einen Pull-Up- und einen Pull-Down-Transistor anstelle eines Pull-Up-Widerstands und eines Pull-Down-Transistors verwendet, wie ich hier gezeigt habe.

Um einen N-FET auf der hohen Seite zu verwenden, wie Sie gezeigt haben, muss die Gate-Spannung über die Versorgung gebracht werden, um den FET vollständig einzuschalten. Denn der Schwung am Induktor geht auch bis zur Versorgungsschiene.

Die Gate-Spannung muss also über der Schienenspannung (dh dem Induktoreingang) liegen, genug, damit der FET vollständig eingeschaltet ist und daher keinen internen IR-Abfall aufweist.

Dieser höhere Gate-Swing wird normalerweise mit einem Gate-Treiber ausgeführt, der mit einer "Bootstrap" -Versorgung betrieben wird, die vom Induktor-Flyback abgeleitet wird.

Nehmen wir an, Ihr FET hat eine Schwelle von 4 V und Ihre Versorgung beträgt 12 V. Sie müssen das Gate auf mindestens über 16 V und vorzugsweise auf 18 bis 20 V bringen, um den niedrigsten Rds (on) zu erreichen und Verluste im FET zu minimieren.

Wie geht das? Verwenden Sie einen High-Side-Gate-Treiber-IC, der dieses Bootstrapping für Sie übernehmen kann.