MOSFET으로 DC 스위칭 : p- 채널 또는 n- 채널; 로우 사이드로드 또는 하이 사이드로드?

MOSFET 트랜지스터의 작동 원리를 이해해야 할 때입니다 ...

한다고 가정;

• MOSFET 트랜지스터로 저항 부하의 전압을 전환하고 싶습니다.
• -500V ~ + 500V 사이의 모든 제어 신호를 쉽게 생성 할 수 있습니다.
• 그림의 트랜지스터 모델은 중요하지 않으며 다른 적절한 모델 일 수도 있습니다.

질문 # 1
어떤 운전 기술이 가능한가? 내 말은,이 4 가지 회로 중 어느 것이 올바르게 적용된 제어 신호와 함께 작동할까요?

질문 # 2
저항기를로드 및 언로드하는 제어 신호 (CS1, CS2, CS3, CS4)의 전압 레벨 범위는 얼마입니까? (켜기 및 끄기 상태의 정확한 경계는 개별적으로 계산해야한다는 것을 알고 있습니다. 그러나 작동 원리를 이해하기 위해 대략적인 값을 요구하고 있습니다. " 회로 (2)에서 CS2가 397V 미만일 때 트랜지스터가 켜집니다. 397V 이상일 때 꺼집니다. ".)

모든 회로는 올바르게 구동 될 때 실현 가능하지만, 2 & 3은 훨씬 더 일반적이며, 운전하기가 훨씬 쉽고, 잘못하지 않는 것이 훨씬 안전합니다.

전압 기반의 답변을 제공하는 대신, 일단 이해하면 훨씬 유용한 일반적인 규칙을 알려 드리겠습니다.

• MOSFET은 파괴 될 수있는 안전한 최대 Vgs 또는 Vsg를 갖습니다. 이는 일반적으로 어느 방향에서나 거의 동일하며 구성 및 산화막 두께의 결과입니다.

• Vg가 Vth와 Vgsm 사이에 있으면 MOSFET이 "온"됩니다.

  • N 채널 FET에 대해 긍정적 인 방향으로.
  • P 채널 FET에 대해 음의 방향으로.

이것은 상기 회로에서 FET를 제어하는 ​​것을 의미한다.

게이트가 소스보다 안전 할 수있는 최대 전압으로 전압 Vgsm을 정의하십시오.
Vg가 s에 대해 음수 일 수있는 최대 값으로 -Vgsm을 정의하십시오.

Vth를 FET를 켜려면 게이트가 소스 전압이어야하는 전압으로 정의하십시오. Vth는 N 채널 FET의 경우 + ve이고 P 채널 FET의 경우 음수입니다.

그래서

회로 3
MOSFET은 +/- Vgsm 범위의 Vgs에 안전합니다.
Vgs> + Vth의 MOSFET이 켜져 있습니다.

회로 2
MOSFET은 +/- Vgsm 범위의 Vgs에 안전합니다.
MOSFET은 -Vgs> -Vth에 대해 켜져 있습니다 (즉, 게이트는 Vth의 크기만큼 드레인보다 음수입니다).

회로 1 회로 3과 정확히 동일하며,
즉 FET에 대한 전압은 동일하다. 당신이 그것에 대해 생각할 때 놀라지 마십시오. 그러나 이제 Vg Vg는 ~ = 400V입니다.

회로 4 회로 2와 정확히 동일하며,
즉 FET에 대한 전압은 동일하다. 다시 한 번 생각할 때 놀라지 마십시오. 그러나 이제 Vg는 400V 레일보다 항상 ~ = 400V입니다.

즉, 회로의 차이는 N 채널 FET의 경우 Vg wrt 접지의 전압과 P 채널 FET의 경우 + 400V와 관련이 있습니다. FET는 게이트가있는 절대 전압을 "인식"하지 않으며, 소스의 전압에 대해서만 "관심"합니다.

관련-위의 토론 후에 진행됩니다.

• MOSFET은 '2 사분면'스위치입니다. 즉, "4 사분면"의 소스에 대한 게이트 및 드레인의 극성이 + +, +-,--및-+ 일 수있는 N 채널 스위치의 경우 MOSFET이 켜집니다.

  • Vds = + ve 및 Vgs + ve

  또는

  • Vds 음성 및 Vgs 양성

2016 년 초에 추가됨 :

Q : 회로 2와 3이 매우 일반적이라고 언급했는데 그 이유는 무엇입니까?
스위치는 두 사분면 모두에서 작동 할 수 있습니다. P 채널 대 N 채널을 선택하는 이유는 무엇입니까? –

A :주의 깊게 살펴보면 원래 답변에서 대부분 다루어집니다. 그러나 ...

모든 회로는 켜져있을 때 1 사분면에서만 작동합니다. 2 사분면 작동에 대한 질문은 위의 4 개 회로에 대한 오해를 나타냅니다. 나는 끝에서 2 사분면 작업을 언급했지만 정상 작동에는 관련이 없습니다. 위의 4 개 회로는 모두 1 사분면에서 작동합니다. 즉, 전원을 켤 때 항상 Vgs 극성 = Vds 극성입니다.
2 사분면 작동이 가능합니다. 즉
Vgs 극성 =-Vds 극성은 항상 켜져
있지만 FET에 내장 된 "바디 다이오드"로 인해 합병증이 발생합니다. 끝에있는 "바디 다이오드"섹션을 참조하십시오.

회로 2 및 3에서 게이트 구동 전압은 항상 전원 공급 장치 레일 사이에 있으므로 "특수"배열을 사용하여 구동 전압을 도출 할 필요가 없습니다.

회로 1에서 게이트 드라이브는 400V 레일 위에 있어야 MOSFET을 켤 수있는 충분한 Vgs를 얻을 수 있습니다.

회로 4에서 게이트 전압은 접지 아래에 있어야합니다.

이러한 전압을 달성하기 위해, 일반적으로 여분의 전압을 제공하기 위해 다이오드 커패시터 "펌프"를 사용하는 "부트 스트랩 (bootstrap)"회로가 종종 사용된다.

일반적인 배열은 브리지에서 4 x N 채널을 사용하는 것입니다.
2 x 로우 사이드 FET는 일반적인 게이트 드라이브 (0/12 V)를 가지며, 2 하이 사이드 FET는 FET가 켜질 때 하이 사이드 FET에 + 12V를 공급하기 위해 412V를 절약해야합니다. 이것은 기술적으로 어렵지는 않지만 할 일이 많고 잘못 가고 더 많은 것을 설계해야합니다. 부트 스트랩 공급 장치는 종종 PWM 스위칭 신호에 의해 구동되므로 더 높은 주파수에서 더 높은 게이트 구동을 얻을 수 있습니다. AC를 끄면 누설시 부트 스트랩 전압이 감소하기 시작합니다. 다시 말하지만, 어렵지 않고 피하는 것이 좋습니다.

모두 일치 하므로 4 x ​​N 채널을 사용하는 것이 "좋습니다" .
Rdson은 일반적으로 P 채널과 동일한 $에 대해 더 낮습니다.
참고 !!! : 패키지가 격리 된 탭이거나 절연 장착을 사용하는 경우 모두 동일한 히트 싱크에서 함께 사용할 수 있습니다. 그러나주의를 기울여야합니다 !!!
이 경우

• 하위 2 개

  • 드레인에서 400V 스위치

  • 소스는 접지

  • 게이트는 0 / 12V입니다.

동안

• 위 2는

  • 드레인에서 영구 400V

  • 소스에서 400V로 전환

  • 게이트에서 400 / 412V.

바디 다이오드 : 일반적으로 발생하는 * 모든 FET에는 드레인과 소스 사이에 "내재적"또는 "기생"역 바이어스 된 바디 다이오드가 있습니다. 정상적인 작동에서는 의도 한 작동에 영향을 미치지 않습니다. FET가 2 사분면에서 작동하는 경우 (예 : N Channel Vds = -ve, Vgs = + ve의 경우) [[페서리 : 원하는 경우 3 번 호출 :-)]] FET가 켜질 때 바디 다이오드가 작동합니다 Vds가 -ve이면 꺼집니다. 이것이 유용하고 바람직한 상황이 있지만 4 개의 FET 브리지에서 일반적으로 발견되는 것은 아닙니다.

* 본체 다이오드는 소자 층이 형성된 기판이 전도성이기 때문에 형성된다. 절연 기판 (예 : Silicon on Saphire)이있는 장치에는이 고유 바디 다이오드가 없지만 일반적으로 매우 비싸고 전문화됩니다.

이것은 좋은 질문입니다! 다른 답변이 놓친 몇 가지 뉘앙스가 있으므로, 나는 차임 할 것이라고 생각했습니다.

짧은 대답은 다음과 같습니다.

• 가장 일반적으로 사용되는 토폴로지 # 3 (로우 사이드 N 채널 스위치)입니다. MOSFET 소스 단자가 접지에 연결되어 있기 때문에이를위한 게이트 드라이브는 간단합니다. 게이트를 접지에 연결하여 끕니다. 게이트를 접지 위 5-10V의 전압에 연결하여 켜십시오. MOSFET 데이터 시트를 읽고 어떤 게이트 전압을 제공해야하는지 알려줍니다.

이 토폴로지를 언제 사용하지 않습니까? 그렇게하는 유일한 주요 이유는 전기 안전을 위해 또는 전자기 방사선 / 민감성을 최소화하기 위해 하나의 터미널을 회로 접지에 연결해야하는 부하가있는 경우입니다. 일부 모터 / 팬 / 펌프 / 히터 등 은이 작업을 수행 해야합니다. 이 경우 하이 사이드 토폴로지 # 1 또는 # 2를 사용해야합니다.

• N 채널 하이 사이드 스위치 (Topology # 1)는 비슷한 크기 / 가격의 P 채널 하이 사이드 스위치보다 성능이 뛰어나지 만 게이트 드라이브는 더 복잡하며 N 채널 MOSFET 소스와 관련이 있어야합니다. 단자는 회로 스위치에 따라 다르지만 하이 사이드 N 채널 MOSFET을 구동하기위한 특수 게이트 드라이브 IC가 있습니다. 고전압 또는 고전력 애플리케이션은 일반적으로이 토폴로지를 사용합니다.

• P 채널 하이 사이드 스위치 (Topology # 2)는 비슷한 크기 / 가격의 N 채널 하이 사이드 스위치보다 성능이 좋지 않지만 게이트 드라이브는 간단합니다. 게이트를 포지티브 레일 ( "+ 400V")에 연결하십시오. 그림)를 끄고 게이트를 포지티브 레일 아래 5-10V의 전압에 연결하여 켜십시오. 글쎄, 주로 간단합니다. 낮은 공급 전압 (5-15V)에서는 본질적으로 게이트를 접지에 연결하여 MOSFET을 켤 수 있습니다. 더 높은 전압 (15-50V)에서는 종종 저항과 제너 다이오드가있는 바이어스 전원을 생성 할 수 있습니다. 50V 이상이거나 스위치를 빠르게 켜야하는 경우 비실용적이며이 토폴로지는 덜 자주 사용됩니다.

• 마지막 토폴로지 # 4 (로우 사이드 P 채널 스위치)는 모든 세계에서 최악의 상태 (장치 성능 저하, 복잡한 게이트 드라이브 회로)를 가지며 본질적으로 사용되지 않습니다.

블로그 게시물 에서보다 자세한 토론을 작성했습니다 .

제어 전압이 접지와 관련이 있는지 또는 플로팅 가능한지 지정하지 않습니다.

회로 3은 가장 실용적인 N- 채널 체계입니다. 소스는 접지에 대해 고정 전압에 있습니다. 즉, 고정 게이트 소스 전압을 제공하여 제어 할 수 있습니다. MOSFET은 디바이스에 따라 접지 위 +2.5 ~ + 12V의 어느 곳에서나 '켜져'있습니다.

회로 1은 까다 롭습니다. MOSFET이 꺼지면 소스는 0에 가까운 어딘가에있는 플로팅 노드 (상단 저항이 큰 저항 분배기를 상상)가된다. MOSFET이 켜지면 소스는 포화를 가정하여 400V에 매우 가깝습니다. 이동 소스는 MOSFET을 유지하기 위해 게이트-접지 제어 전압도 이동해야 함을 의미합니다.

제어 전압을 접지하지 않고 MOSFET의 소스를 기준으로하면 회로 1이 더 좋습니다. 펄스 트랜스포머 또는 차지 펌프 드라이버를 사용할 수 있도록 시간이 충분히 작은 PWM 신호로 MOSFET을 구동하려는 경우에는이 방법이 간단합니다. MOSFET의 소스에 제어 전압을 고정한다는 것은 MOSFET이 드라이브에 영향을주지 않고 원하는대로 상하로 플로팅 될 수 있음을 의미합니다.

회로 2는 회로 3처럼 간단합니다. 제어 전압이 접지를 기준으로하면 게이트에서 접지로 397.5V ~ 388V를 제공하면 (게이트에서 소스로 -2.5 ~ -12V) MOSFET이 켜집니다. 소스는 고정되어 있으며 (항상 + 400V) 게이트를 제어하면 고정 전압 만 있으면됩니다. (400V 버스가 붕괴되지 않는 한 다른 문제입니다).

회로 2와 마찬가지로 회로 4는 까다 롭습니다. MOSFET이 꺼지면 소스는 400V에 가깝습니다. 켜져 있으면 거의 0에 가깝습니다. 가변 소스는 접지에 대한 가변 게이트 공급을 의미하며, 이는 다시 지저분한 제안입니다.

일반적으로 소스를 가능한 한 고정하거나 플로팅해야하는 경우 플로팅 전원을 사용하여 소스를 제어하십시오.