Conmutación de CC con MOSFET: canal p o canal n; ¿Carga lateral baja o carga lateral alta?

Todos los circuitos son factibles cuando se conducen correctamente, pero 2 y 3 son mucho más comunes, mucho más fáciles de conducir bien y mucho más seguros si no se hacen las cosas mal.

En lugar de darle un conjunto de respuestas basadas en el voltaje, le daré algunas reglas generales que son mucho más útiles una vez que las comprende.

• Los MOSFET tienen un Vgs máximo seguro o Vsg más allá del cual pueden destruirse. Esto suele ser aproximadamente el mismo en cualquier dirección y es más el resultado de la construcción y el grosor de la capa de óxido.

• MOSFET estará "encendido" cuando Vg esté entre Vth y Vgsm

  • En una dirección positiva para los FET de canal N.
  • En dirección negativa para FET de canal P.

Esto tiene sentido para controlar los FET en los circuitos anteriores.

Defina un voltaje Vgsm como el voltaje máximo que la puerta puede ser más +ve que la fuente de manera segura.
Defina -Vgsm como lo máximo que Vg puede ser negativo en relación con s.

Defina Vth como el voltaje que una puerta debe tener como fuente para encender el FET. Vth es +ve para FET de canal N y negativo para FET de canal P.

ASI QUE

El MOSFET del circuito 3
es seguro para Vgs en el rango +/- Vgsm.
MOSFET está encendido para Vgs> +Vth

El MOSFET del circuito 2
es seguro para Vgs en el rango +/- Vgsm.
MOSFET está activado para - Vgs > -Vth (es decir, la compuerta es más negativa que el drenaje por la magnitud de Vth.

Circuito 1 Exactamente igual que el circuito 3,
es decir, los voltajes relativos al FET son idénticos. No es de extrañar cuando lo piensas. PERO Vg ahora será ~= 400V en todo momento.

Circuito 4 Exactamente igual que el circuito 2,
es decir, los voltajes relativos al FET son idénticos. Una vez más, no es de extrañar cuando lo piensas. PERO Vg ahora estará ~= 400 V por debajo del riel de 400 V en todo momento.

es decir, la diferencia en los circuitos está relacionada con el voltaje de Vg con respecto a tierra para un FET de canal N y +400 V para un FET de canal P. El FET no "sabe" el voltaje absoluto en el que se encuentra su puerta, solo "se preocupa" por los voltajes en la fuente.

Relacionado: surgirá en el camino después de la discusión anterior:

• Los MOSFET son interruptores de '2 cuadrantes'. Es decir, para un interruptor de canal N donde la polaridad de la puerta y el drenaje en relación con la fuente en "4 cuadrantes" puede ser + +, + -, - - y - +, el MOSFET se encenderá con

  • Vds = +ve y Vgs +ve

  O

  • Vds negativo y Vgs positivo

Agregado a principios de 2016:

P: Usted mencionó que los circuitos 2 y 3 son muy comunes, ¿por qué?
Los interruptores pueden funcionar en ambos cuadrantes, ¿qué hace que uno elija canal P a canal N, lado alto a lado bajo? –

R: Esto está cubierto en gran medida en la respuesta original si lo revisa con cuidado. Pero ...

TODOS los circuitos funcionan solo en el 1er cuadrante cuando están encendidos: Su pregunta sobre la operación en 2 cuadrantes indica un malentendido de los 4 circuitos anteriores. Mencioné la operación de 2 cuadrantes al final (arriba) PERO no es relevante en la operación normal. Los 4 circuitos anteriores están operando en su primer cuadrante, es decir, polaridad Vgs = polaridad Vds en todo momento cuando están encendidos.
La operación en el segundo cuadrante es posible, es decir
, polaridad Vgs = - Polaridad Vds en todo momento cuando está encendido,
PERO esto generalmente causa complicaciones debido al "diodo del cuerpo" incorporado en el FET; consulte la sección "Diodo del cuerpo" al final.

En los circuitos 2 y 3, el voltaje de activación de la compuerta siempre se encuentra entre los rieles de la fuente de alimentación, por lo que no es necesario utilizar arreglos "especiales" para derivar los voltajes de activación.

En el circuito 1, la unidad de compuerta debe estar por encima del riel de 400 V para obtener suficientes Vgs para encender el MOSFET.

En el circuito 4, el voltaje de la puerta debe estar bajo tierra.

Para lograr tales voltajes, a menudo se usan circuitos de "arranque" que generalmente usan una "bomba" de condensador de diodo para proporcionar el voltaje adicional.

Un arreglo común es usar 4 x N Channel en un puente.
Los 2 FET del lado bajo tienen una activación de compuerta habitual, digamos 0/12 V, y los 2 FET del lado alto necesitan (aquí) 412 V para suministrar +12 V a los FET del lado alto cuando el FET está encendido. Esto no es técnicamente difícil, pero es más para hacer, más para salir mal y debe ser diseñado. El suministro de arranque a menudo es impulsado por las señales de conmutación PWM, por lo que hay una frecuencia más baja en la que aún obtiene la unidad de puerta superior. Apague la CA y el voltaje de arranque comienza a decaer bajo la fuga. Nuevamente, no es difícil, solo es bueno evitarlo.

Usar el canal 4 x N es "agradable" ya que
todos coinciden,
Rdson suele ser más bajo por el mismo $ que el canal P.
¡¡¡NOTA!!!: Si los paquetes son de lengüeta aislada o utilizan un montaje aislado, todos pueden ir juntos en el mismo disipador de calor, ¡PERO tenga el debido CUIDADO!
En este caso

• Los 2 inferiores tienen

  • encendió 400V en los desagües y

  • las fuentes están puestas a tierra,

  • Las puertas están a 0/12V, digamos.

tiempo

• los 2 superiores tienen

  • 400V permanente en los desagües y

  • encendido 400V en las fuentes y

  • 400/412 V en las puertas.

Diodo de cuerpo: todos los FETS que se encuentran normalmente* tienen un diodo de cuerpo polarizado inversamente "intrínseco" o "parásito" entre el drenaje y la fuente. En funcionamiento normal, esto no afecta al funcionamiento previsto. Si el FET se opera en el segundo cuadrante (p. ej., para el canal N Vds = -ve, Vgs = +ve) [[pedantería: llámelo como tercero si lo desea :-)]] entonces el diodo del cuerpo conducirá cuando se encienda el FET apagado cuando Vds es -ve. Hay situaciones en las que esto es útil y deseable, pero no son lo que se encuentra comúnmente en, por ejemplo, 4 puentes FET.

*El diodo del cuerpo se forma debido a que el sustrato sobre el que se forman las capas del dispositivo es conductor. Los dispositivos con un sustrato aislante (como Silicon on Saphire), no tienen este diodo de cuerpo intrínseco, pero suelen ser muy caros y especializados).

¡Esta es una buena pregunta! Hay algunos matices que las otras respuestas han pasado por alto, así que pensé en intervenir.

La respuesta corta es la siguiente:

• La topología n.º 3 (conmutador de canal N de lado bajo) es la más utilizada. Dado que el terminal fuente del MOSFET está conectado a tierra, la activación de la compuerta para esto es simple. Conecte la puerta a tierra para apagar. Conecte la puerta a un voltaje de 5-10 V por encima del suelo para encenderla. Lea la hoja de datos de su MOSFET y le dirá qué voltaje de puerta debe proporcionar.

¿Cuándo dejaría de usar esta topología? La única razón principal para hacerlo es si tiene una carga que necesita tener un terminal conectado a tierra del circuito, por seguridad eléctrica o para minimizar la radiación/susceptibilidad electromagnética. Algunos motores/ventiladores/bombas/calentadores/etc deben hacer esto, en cuyo caso se ve obligado a usar la topología de lado alto #1 o #2.

• Un interruptor de lado alto de canal N (topología n.º 1) tiene un mejor rendimiento que un interruptor de lado alto de canal P de tamaño/precio comparable, pero la activación de la compuerta es más complicada y tiene que ser relativa a la fuente MOSFET de canal N terminal, que varía a medida que cambia el circuito, pero hay circuitos integrados de control de compuerta especializados que están destinados a controlar MOSFET de canal N de lado alto. Las aplicaciones de alto voltaje o alta potencia generalmente usan esta topología.

• Un interruptor de lado alto de canal P (topología n.º 2) tiene un rendimiento peor que un interruptor de lado alto de canal N de tamaño/precio similar, pero el controlador de compuerta es simple: conecte la compuerta al riel positivo ("+400 V" en su dibujo) para apagarlo y conecte la puerta a un voltaje de 5-10 V por debajo del riel positivo para encenderlo. Bueno, en su mayoría simple. Con voltajes de suministro bajos (5-15 V), básicamente puede conectar la puerta a tierra para encender el MOSFET. A voltajes más altos (15-50 V), a menudo puede crear un suministro de polarización con una resistencia y un diodo zener. Por encima de 50 V, o si el interruptor tiene que encenderse rápido, esto se vuelve poco práctico y esta topología se usa con menos frecuencia.

• La última topología n.° 4 (interruptor de canal P del lado bajo) tiene lo peor de todos los mundos (peor rendimiento del dispositivo, circuito de control de compuerta complejo) y esencialmente nunca se usa.

He escrito una discusión más detallada en una publicación de blog .

No especifica si el voltaje de control es con respecto a tierra o si puede flotar.

El circuito 3 es el esquema de canal N más práctico. La fuente tiene un voltaje fijo con respecto a tierra, lo que significa que puede proporcionar un voltaje de fuente de puerta fijo para controlarlo. El MOSFET estará 'encendido' entre +2,5 y +12 V por encima del suelo, según el dispositivo.

El circuito 1 es complicado. Cuando el MOSFET está apagado, la fuente es algo así como un nodo flotante (imagine un divisor de resistencia con la resistencia superior enorme) ubicado en algún lugar cercano a cero. Cuando el MOSFET está encendido, la fuente estará muy cerca de 400 V, asumiendo la saturación. Una fuente en movimiento significa que el voltaje de control de puerta a tierra también tendría que moverse para mantener encendido el MOSFET.

El circuito 1 es mejor si hace referencia al voltaje de control a la fuente del MOSFET y no a tierra. Esto es trivial si tiene la intención de controlar el MOSFET con una señal PWM con un tiempo de activación lo suficientemente pequeño como para permitir el uso de un transformador de pulso o un controlador de bomba de carga. Fijar el voltaje de control a la fuente del MOSFET significa que el MOSFET puede flotar hacia arriba y hacia abajo como quiera, sin afectar la unidad.

El circuito 2 es sencillo como el circuito 3. Si el voltaje de control está referenciado a tierra, probar 397,5 V a 388 V desde la puerta a tierra (-2,5 a -12 V desde la puerta a la fuente) encenderá el MOSFET. La fuente es fija (siempre a +400 V), por lo que controlar la puerta significa que todo lo que necesita es un voltaje fijo. (A menos que su bus de 400V colapse, pero ese es otro tema).

El circuito 4, como el circuito 2, es complicado. Cuando el MOSFET está apagado, la fuente se encuentra cerca de 400V. Cuando está encendido, caerá a casi cero. Una fuente variable significa un suministro de compuerta variable con respecto a tierra, que nuevamente es una propuesta complicada.

En general, mantenga sus fuentes fijas cuando sea posible, o si tienen que flotar, use un suministro flotante para controlarlas.