Kann eine Flyback-Diode auf der "Masse" -Seite eines Transistors arbeiten?

Einige Missverständnisse müssen korrigiert werden:

1. Die Flyback-Diode sendet keinen Strom zurück zur Stromquelle.

Die Stromquelle ist egal. Die Flyback-Diode gibt dem Strom in der Induktivität einen "einfachen" Weg, um weiter durch die Induktivität zu zirkulieren.

Wenn der Strom in der Induktivität unterbrochen wird, verwendet sie die in ihrem Magnetfeld gespeicherte Energie, um weiterhin Strom durch sie fließen zu lassen. Stellen Sie sich das also für kurze Zeit, nachdem der Strom unterbrochen wurde, als eine Batterie vor. Der Strom fließt in die gleiche Richtung wie vor der Unterbrechung, aber die Spannung an der Induktivität hat sich umgekehrt, da sie jetzt als Quelle und nicht als Last wirkt. Diese Spannung spannt jede antiparallele Diode in Vorwärtsrichtung vor, um dem Strom einen Weg zum Fließen zu geben. Diese Spannung ist so hoch wie nötig, um den Strom durch die Induktivität fließen zu lassen. Wenn der verfügbare Strompfad hart ist, wird es eine sehr schädliche Hochspannung sein, um den Strom durchzuzwingen. Wenn es sich um einen einfacheren Weg handelt (wie eine Diode mit geringem Durchlassspannungsabfall), ist die erzeugte Spannung geringer. Mit dieser Denkweise Sie sollten immer feststellen können, ob Flyback-Maßnahmen funktionieren oder nicht. Die Flyback-Diode gibt dem Strom IN der Induktivität eine Schleife, wo er weiter fließen kann. Die Stromquelle ist egal. Die Diode in Ihrer Schaltung unterdrückt also Rücklaufspannungsspitzen, aber ...

2. Ihre Schaltung als Ganzes wird nicht funktionieren. Sie können die Last nicht einfach von der "hohen Seite" auf die "niedrige Seite" verschieben, wie Sie es gerade getan haben.

Der Grund, warum Sie die Spule auf der Drain-Seite des Transistors sehen, ist, dass die Spannungsdifferenz, die den MOSFET einschaltet, die Spannungsdifferenz zwischen den Gate- und Source-Anschlüssen ist. Das heißt, wenn der Source-Anschluss nicht an ein festes Potenzial gebunden ist (dh Masse oder Stromschiene, je nachdem, ob Sie ein NMOS oder PMOS verwenden), wird die Schaltung viel komplizierter, da jetzt das Signal an das Gate gesendet werden muss Schweben auf der Source-Spannung des MOSFET.

Dies bedeutet, dass Ihre Schaltung wie gezeichnet nicht funktioniert, aber aus Gründen, die Sie noch nicht erkennen. Angenommen, ich lege 15 V an das Gate von M6, um es einzuschalten. Wird es sich einschalten? Diese spontane Phrase wird geladen, indem sie impliziert, dass die 15 V, die an das Gate angelegt werden, relativ zur Masse sind .

Aber der MOSFET kann und kümmert sich nicht um die Spannung an seinem Gate relativ zur Masse (woher soll er wissen, wie hoch die Spannung an Masse ist? Keiner seiner Pins ist mit Masse verbunden). Es kümmert sich um die Spannung an seinem Gate im Verhältnis zur Spannung an seinem Source-Anschluss.

Die von Ihnen gezeichnete Schaltung ist ein Source-Folger (solange kein Floating-Gate-Treiber vorhanden ist oder eine Gate-Treiberspannung mit Bezug auf Masse angelegt wird, die kleiner ist als$V4 + V_{gs_{th}} + V_{gs_{overdrive}}$. Wo$V_{gs_{th}} + V_{gs_{overdrive}}$ist nur die Spannung, die erforderlich ist, um den MOSFET vollständig einzuschalten. Es ist nicht nur$V_{gs_{th}}$da dies die Spannung ist, bei der der MOSFET kaum zu leiten beginnt und nur für Verstärker nützlich ist, nicht für Schalter.

Da es sich um einen Sourcefolger handelt, kann die an die Spule (oder Last) angelegte Spannung immer nur maximal sein$V4 - V_{gs_{th}}$, anstatt V4. Das ist viel Spannung, die nicht an die Last angelegt wird, und wenn die Strompegel hoch genug sind, wird viel Wärme im MOSFET abgeführt, da er nicht vollständig eingeschaltet ist.

Diese Situation kann auf zwei Arten korrigiert werden:

1. Ersetzen Sie den NMOSFET durch einen PMOSFET. Da der Source-Anschluss des PMOSFET mit + V verbunden sein muss und die Position Ihres Transistors in der Schaltung direkt neben + V liegt, wird das Problem einer Floating-Gate-Source-Spannung behoben.

2. Verwenden Sie eine Floating-Gate-Treiberschaltung, um das NMOSFET-Gate mit einer Spannung anzusteuern, die zum Source-Anschluss floatet (auch bekannt als relativ zu ihm). Wird häufig in Wechselrichtern und Motorantrieben verwendet, da NMOSFETs billiger, effizienter und besser verfügbar sind als PMOSFETs.

Wie von @Spehro Pefhany in den Kommentaren erwähnt, macht der Source-Follower in dieser Situation tatsächlich die Notwendigkeit einer Flyback-Diode überflüssig. Wenn das NMOSFET-Gate auf 0 V gebracht wird, um zu versuchen, die Dinge auszuschalten, führt die Reduzierung des Stroms dazu, dass die Spule tritt. Dieser Kick bringt die Source-Anschlussspannung negativ genug, um Vgs positiv genug zu machen, um den NMOSFET wieder einzuschalten, selbst wenn 0 V an das Gate angelegt werden. Tatsächlich zwingt der induktive Kick den MOSFET teilweise zum Einschalten, wodurch die Abschaltzeit des MOSFET verlangsamt wird, wodurch verhindert wird, dass er abschlägt, was zu einem noch höheren, möglicherweise schädlichen induktiven Kick führen würde. Dies würde jedoch in Hochgeschwindigkeitsschaltkreisen stören.

Ja, das könnte gut funktionieren, vorausgesetzt, Sie haben den Vgs-Abfall (Schwellenspannung) für den FET gegenüber der Anzugsspannung des Relais berücksichtigt. Verwenden Sie andernfalls stattdessen Low-Side. Für eine kleine Spule, die sich auf Ihrem Board befindet, ist dies die einfachere Wahl.

Setzen Sie die Diode nach Möglichkeit direkt über die Spule, um die Rücklaufstromschleifenfläche zu minimieren, unabhängig von der gewählten Schaltmethode.

Diskussion:

NMOS auf der oberen Seite ist das klassische Solenoid-Treiber-Setup. NMOS bietet bei einer gegebenen Die-Größe bessere Rds(on) als PMOS, daher ist dies der bevorzugte Ansatz für große Spulen. Aber es gibt einen Haken: Sie benötigen einen High-Side-Gate-Treiber mit einer Boost-Spannung, damit er mit bester Effizienz arbeitet. Der Boost-Treiber hebt Vg hoch genug, um den FET vollständig einzuschalten.

Hier ist ein relevanter Artikel über das Ansteuern von Solenoiden (und ein halbwegs schamloser Stecker für ein MPS-Gerät): https://www.electronicdesign.com/industrial-automation/what-s-best-way-drive-solenoid

Eine andere Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, ist die Verwendung eines Lastschalters. Dies integriert den NMOS-FET, die Ladungspumpe und den High-Side-Gate-Treiber in einem praktischen IC. Es gibt viele gute, preiswerte Geräte, die für USB und allgemeine Energieverwaltung ausgelegt sind.