Chuyển đổi DC bằng MOSFET: p-Channel hoặc n-Channel; Tải bên thấp hay tải bên cao?

Tôi nghĩ rằng, đã đến lúc tôi hiểu nguyên lý làm việc của các bóng bán dẫn MOSFET ...

Giả sử rằng;

• Tôi muốn chuyển đổi điện áp trên tải điện trở bằng một bóng bán dẫn MOSFET.
• Bất kỳ tín hiệu điều khiển nào giữa -500V và + 500V đều có thể dễ dàng tạo ra.
• Các mô hình bóng bán dẫn trong hình không quan trọng, chúng có thể là bất kỳ mô hình thích hợp nào khác.

Câu hỏi số 1
Những kỹ thuật lái xe nào khả thi? Ý tôi là, mạch nào trong bốn mạch này sẽ hoạt động với tín hiệu điều khiển được áp dụng chính xác?

Câu hỏi 2
Phạm vi mức điện áp của các tín hiệu điều khiển (CS1, CS2, CS3, CS4) tải và dỡ tải điện trở là gì? (Tôi hiểu rằng các ranh giới chính xác của trạng thái bật và tắt phải được tính riêng lẻ. Nhưng tôi đang yêu cầu các giá trị gần đúng để hiểu nguyên tắc làm việc. Vui lòng đưa ra các câu như " Trong mạch (2), bóng bán dẫn bật khi CS2 dưới 397V và tắt khi trên 397V. ".)

Tất cả các mạch đều khả thi khi được điều khiển chính xác, nhưng 2 & 3 phổ biến hơn nhiều, dễ dàng hơn để lái tốt và an toàn hơn rất nhiều khi không làm sai.

Thay vì cung cấp cho bạn một bộ câu trả lời dựa trên điện áp, tôi sẽ cung cấp cho bạn một số quy tắc chung hữu ích hơn nhiều khi bạn hiểu chúng.

• MOSFE có VSS hoặc Vsg tối đa an toàn mà chúng có thể bị phá hủy, Điều này thường giống nhau theo cả hai hướng và là kết quả của độ dày lớp xây dựng và lớp oxit.

• MOSFET sẽ "bật" khi Vg nằm giữa Vth và Vgsm

  • Theo hướng tích cực cho FET kênh N.
  • Theo hướng tiêu cực cho FET kênh P.

Điều này có ý nghĩa trong việc kiểm soát các FET trong các mạch trên.

Xác định điện áp Vgsm là điện áp tối đa mà cổng có thể nhiều hơn so với nguồn an toàn.
Xác định -Vgsm là hầu hết Vg có thể âm so với s.

Xác định Vth là điện áp mà một cổng phải là nguồn wrt để chỉ bật FET. Vth là + ve đối với FET kênh N và âm đối với FET kênh P.

VÌ THẾ

Mạch 3
MOSFET an toàn cho VSS trong phạm vi +/- Vgsm.
MOSFET được bật cho VSS> + Vth

MOSFET mạch 2 an toàn cho VSS trong phạm vi +/- Vgsm.
MOSFET được bật cho - Vss> -Vth (tức là cổng âm hơn cống theo độ lớn của Vth.

Mạch 1 Chính xác giống như mạch 3
tức là các điện áp so với FET giống hệt nhau. Không ngạc nhiên khi bạn nghĩ về nó. NHƯNG Vg bây giờ sẽ là ~ = 400V theo thời gian.

Mạch 4 Chính xác giống như mạch 2
tức là các điện áp so với FET giống hệt nhau. Một lần nữa, không ngạc nhiên khi bạn nghĩ về nó. NHƯNG Vg bây giờ sẽ là ~ = 400V dưới đường ray 400V mọi lúc.

tức là sự khác biệt trong các mạch có liên quan đến điện áp của mặt đất Vg wrt cho FET kênh N và + 400V cho FET kênh P. FET không "biết" điện áp tuyệt đối mà cổng của nó đang ở - nó chỉ "quan tâm" đến điện áp nguồn wrt.

Liên quan - sẽ phát sinh trên đường đi sau cuộc thảo luận ở trên:

• MOSFET là các công tắc '2 góc phần tư'. Đó là, đối với một công tắc kênh N trong đó cực của cổng và cống tương ứng với nguồn trong "4 góc phần tư" có thể là + +, + -, - - và - +, MOSFET sẽ bật với

  • Vds = + ve và Vss + ve

  HOẶC LÀ

  • Vds âm tính và VSS tích cực

Đã thêm đầu năm 2016:

Q: Bạn đã đề cập rằng các mạch 2 & 3 rất phổ biến, tại sao vậy?
Các công tắc có thể hoạt động ở cả hai góc phần tư, điều gì khiến người ta chọn kênh P thành kênh N, từ cao xuống thấp? -

A: Điều này phần lớn được bao phủ trong câu trả lời ban đầu nếu bạn xem qua nó một cách cẩn thận. Nhưng ...

TẤT CẢ các mạch chỉ hoạt động trong góc phần tư thứ nhất khi bật: Câu hỏi của bạn về 2 thao tác góc phần tư cho thấy sự hiểu lầm về 4 mạch trên. Tôi đã đề cập đến 2 hoạt động góc phần tư ở cuối (ở trên) NHƯNG nó không liên quan trong hoạt động bình thường. Tất cả 4 mạch trên đều hoạt động trong góc phần tư thứ nhất của chúng - tức là độ phân cực Vss = độ phân cực Vds mọi lúc khi được bật.
Có thể thực hiện thao tác góc phần tư thứ hai tức là
phân cực Vss = - Phân cực Vds mọi lúc khi bật
NHƯNG điều này thường gây ra các biến chứng do "diode cơ thể" sẵn có trong FET - xem phần "Diode cơ thể" ở cuối.

Trong mạch 2 & 3, điện áp ổ đĩa luôn nằm giữa các đường ray cung cấp điện, khiến cho việc sử dụng các cách bố trí "đặc biệt" để lấy điện áp ổ đĩa là không cần thiết.

Trong mạch 1, ổ đĩa cổng phải ở trên đường ray 400V để có đủ VSS để bật MOSFET.

Trong mạch 4 điện áp cổng phải nằm dưới mặt đất.

Để đạt được điện áp như vậy, các mạch "bootstrap" thường được sử dụng thường sử dụng "bơm" tụ điện diode để cung cấp thêm điện áp.

Một cách sắp xếp phổ biến là sử dụng 4 x N Channel trong một cây cầu.
Các FET 2 x bên thấp có ổ đĩa cổng thông thường - giả sử 0/12 V và 2 FETS bên cao cần (ở đây) sav 412V để cung cấp + 12V cho FETS phía cao khi bật FET. Điều này không khó về mặt kỹ thuật nhưng còn nhiều việc phải làm, nhiều sai sót và phải được thiết kế. Việc cung cấp bootstrap thường được điều khiển bởi các tín hiệu chuyển mạch PWM, do đó tần số thấp hơn mà bạn vẫn nhận được ổ đĩa cổng trên. Tắt AC và điện áp bootstrap bắt đầu phân rã dưới rò rỉ. Một lần nữa, không khó, chỉ cần tốt đẹp để tránh.

Sử dụng kênh 4 x N là "tốt" vì
tất cả đều được khớp,
Rdson thường thấp hơn với cùng $ so với kênh P.
LƯU Ý !!!: Nếu các gói là tab bị cô lập hoặc sử dụng lắp cách điện, tất cả có thể đi cùng nhau trên cùng một tản nhiệt - NHƯNG làm mất CHĂM SÓC !!!
Trong trường hợp này

• 2 người dưới có

  • bật 400V trên cống và

  • nguồn được căn cứ,

  • cổng ở mức 0 / 12V nói.

trong khi

• 2 trên có

  • 400V vĩnh viễn trên cống và

  • bật 400V trên các nguồn và

  • 400/412 V trên cổng.

Diode cơ thể: Tất cả các FETS thường gặp * có một diode cơ thể phân cực ngược "nội tại" hoặc "ký sinh" giữa cống và nguồn. Trong hoạt động bình thường, điều này không ảnh hưởng đến hoạt động dự định. Nếu FET được vận hành trong góc phần tư thứ 2 (ví dụ: N Channel Vds = -ve, Vss = + ve) [[pedantry: gọi số 3 đó nếu bạn thích :-)]] thì diode cơ thể sẽ tiến hành khi bật FET tắt khi Vds là -ve. Có những tình huống điều này hữu ích và mong muốn nhưng chúng không phải là những gì thường thấy trong 4 cầu FET.

* Các diode cơ thể được hình thành do chất nền mà các lớp thiết bị được hình thành trên là dẫn điện. Thiết bị có chất nền cách điện (như Silicon trên Saphire), không có diode cơ thể nội tại này, nhưng thường rất đắt tiền và chuyên dụng).

Đây là một câu hỏi hay! Có một số sắc thái mà các câu trả lời khác đã bỏ lỡ, vì vậy tôi nghĩ rằng tôi rất thích.

Câu trả lời ngắn gọn như sau:

• Cấu trúc liên kết số 3 (chuyển đổi kênh N phía thấp) được sử dụng phổ biến nhất. Vì thiết bị đầu cuối nguồn MOSFET được kết nối với mặt đất, ổ đĩa cổng cho việc này rất đơn giản. Kết nối cổng với mặt đất để tắt. Kết nối cổng với điện áp 5-10V trên mặt đất để bật. Đọc biểu dữ liệu MOSFET của bạn và nó sẽ cho bạn biết điện áp cổng nào bạn cần cung cấp.

Khi nào bạn sẽ không sử dụng cấu trúc liên kết này? Lý do chính duy nhất để làm như vậy là nếu bạn có một tải cần phải có một thiết bị đầu cuối gắn với mặt đất mạch, để an toàn điện hoặc để giảm thiểu bức xạ điện từ / tính nhạy cảm. Một số động cơ / quạt / máy bơm / máy sưởi / vv phải làm điều này, trong trường hợp đó bạn buộc phải sử dụng cấu trúc liên kết phía cao # 1 hoặc # 2.

• Công tắc phía cao kênh N (Topology # 1) có hiệu suất tốt hơn công tắc phía cao kênh P có kích thước / giá tương đương, nhưng ổ đĩa cổng phức tạp hơn và phải liên quan đến nguồn MOSFET kênh N thiết bị đầu cuối, thay đổi như các công tắc mạch, nhưng có các IC ổ đĩa cổng chuyên dụng dùng để điều khiển MOSFET kênh N phía cao. Các ứng dụng điện áp cao hoặc năng lượng cao thường sử dụng cấu trúc liên kết này.

• Công tắc phía cao kênh P (Topology # 2) có hiệu suất kém hơn so với công tắc phía cao kênh N có kích thước / giá tương đương, nhưng ổ đĩa cổng rất đơn giản: kết nối cổng với đường ray dương ("+ 400V" trong vẽ) để tắt và kết nối cổng với điện áp thấp hơn 5-10V so với đường ray dương để bật. Vâng, chủ yếu là đơn giản. Ở điện áp cung cấp thấp (5-15V), về cơ bản bạn có thể chỉ cần kết nối cổng với mặt đất để bật MOSFET. Ở điện áp cao hơn (15-50V), bạn thường có thể tạo ra nguồn cung cấp thiên vị với điện trở và diode zener. Trên 50V hoặc nếu công tắc phải bật nhanh, điều này trở nên không thực tế và cấu trúc liên kết này ít được sử dụng hơn.

• Cấu trúc liên kết số 4 cuối cùng (công tắc kênh P phía thấp) có điểm kém nhất trong tất cả các thế giới (hiệu suất thiết bị kém hơn, mạch ổ đĩa phức tạp) và về cơ bản không bao giờ được sử dụng.

Tôi đã viết một cuộc thảo luận chi tiết hơn trong một bài đăng trên blog .

Bạn không chỉ định nếu điện áp điều khiển liên quan đến mặt đất, hoặc nếu nó có thể nổi.

Mạch 3 là sơ đồ kênh N thực tế nhất. Nguồn ở mức điện áp cố định đối với mặt đất, có nghĩa là bạn có thể cung cấp điện áp nguồn cổng cố định để điều khiển nó. MOSFET sẽ được 'bật' ở mọi nơi từ +2,5 đến + 12 V so với mặt đất, tùy thuộc vào thiết bị.

Mạch 1 là khó khăn. Khi MOSFET tắt, nguồn có phần là một nút nổi (hãy tưởng tượng một bộ chia điện trở có điện trở cực lớn) nằm ở đâu đó gần bằng không. Khi bật MOSFET, nguồn sẽ rất gần với 400V giả sử bão hòa. Một nguồn chuyển động có nghĩa là điện áp điều khiển từ mặt đất cũng sẽ phải di chuyển để duy trì MOSFET.

Mạch 1 sẽ tốt hơn nếu bạn tham chiếu điện áp điều khiển đến nguồn của MOSFET và không nối đất. Điều này là không quan trọng nếu bạn có ý định lái MOSFET với tín hiệu PWM với thời gian đủ nhỏ để cho phép sử dụng biến áp xung hoặc trình điều khiển bơm sạc. Việc cố định điện áp điều khiển vào nguồn của MOSFET có nghĩa là MOSFET có thể nổi lên và xuống theo ý muốn mà không ảnh hưởng đến ổ đĩa.

Mạch 2 đơn giản giống như mạch 3. Nếu điện áp điều khiển được nối đất, chứng minh 397,5V đến 388V từ cổng xuống đất (-2,5 đến -12V từ cổng tới nguồn) sẽ bật MOSFET. Nguồn được cố định (luôn ở mức + 400V) vì vậy kiểm soát cổng có nghĩa là điện áp cố định là tất cả những gì bạn cần. (Trừ khi xe buýt 400V của bạn bị sập, nhưng đó là một vấn đề khác).

Mạch 4, giống như mạch 2, là khó khăn. Khi MOSFET tắt, nguồn nằm gần 400V. Khi nó bật, nó sẽ giảm xuống gần bằng không. Một nguồn thay đổi có nghĩa là một nguồn cung cấp cổng biến đổi liên quan đến mặt đất, một lần nữa là một đề xuất lộn xộn.

Nói chung, giữ cho nguồn của bạn cố định ở nơi có thể hoặc nếu chúng phải nổi, sử dụng nguồn cung cấp nổi để kiểm soát chúng.