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\ \ begingroup \美元

我想,是时候了解MOSFET晶体管的工作原理了。。。

四种不同可能性的说明

假设;

  • 我想通过MOSFET晶体管开关电阻负载上的电压。
  • 可轻松生成-500V到+500V之间的任何控制信号。
  • 图中的晶体管模型并不重要,它们也可以是任何其他合适的模型。

问题# 1
哪种驾驶技术是可行的?我的意思是,这四种电路中哪一种能正确地应用控制信号?

问题# 2
负载和卸载电阻的控制信号(CS1, CS2, CS3, CS4)的电压等级范围是多少?(我理解开关状态的精确边界必须单独计算。但我要求的是近似值来理解工作原理。请给出这样的陈述:在电路(2)中,当CS2低于397V时晶体管开启,当CS2高于397V时关闭。".)

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  • 5
    \ \ begingroup \美元 假设…可以轻松生成-500V和+500V之间的任何控制信号——一些假设!我想我们在不同的行业工作。 \$\endgroup\$- - - - - -凯文·弗米尔 9月1日11日14:33
  • \ \ begingroup \美元 @凯文·维米尔:我现在只想学习这个理论。 \$\endgroup\$- - - - - -巴图赛 9月1日14点45分
  • \ \ begingroup \美元 啊,这更有道理。你的学习目标是进入高压领域吗?通过尝试使用400V信号,您可能会增加复杂性,使学习更加困难。 \$\endgroup\$- - - - - -凯文·弗米尔 2011年9月1日15:36
  • \ \ begingroup \美元 @凯文·维米尔:我想让人们以更一般的方式回答我的问题,考虑到所有的问题。以便他们能给我更多的信息。 \$\endgroup\$- - - - - -巴图赛 2011年9月1日16:12
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\ \ begingroup \美元

当正确驾驶时,所有的电路都是可行的,但2和3更常见,更容易驾驶良好,更安全,而不是做错事。

我不会给你一套基于电压的答案,我会给你一些通用规则,一旦你理解了它们,它们会更有用。

  • mosfet有一个安全的最大Vgs或Vsg,超过了这个Vgs或Vsg,它们就可能被破坏。这通常在任何方向上都是相同的,更多的是结构和氧化物层厚度的结果。

  • 当Vg介于Vth和VGM之间时,MOSFET将“开启”

    • N沟道FET的正向。
    • P通道FET的负方向。

这对控制上述电路中的fet是有意义的。

将电压Vgsm定义为门电压比源电压高的最大电压。
将-VGM定义为Vg相对于s可能为负值的最大值。

定义Vth为栅极必须为wrt源才能打开FET的电压。对于N通道FET,Vth为+ve,对于P通道FET,Vth为负值。


所以

电路3
MOSFET是安全的Vgs范围+/- Vgsm。
MOSFET为Vgs> +Vth开启

电路2
MOSFET是安全的Vgs范围+/- Vgsm。
MOSFET在- Vgs > -Vth(即栅极比漏极负Vth幅度更大)时是打开的。

电路1和3号电路完全一样
即相对于场效应管的电压是相同的。想想就知道了。但是Vg现在在任何时候都是~= 400V。

电路4和2号电路完全一样
即相对于场效应管的电压是相同的。再一次,当你想它的时候,这并不奇怪。但是Vg现在将在400V轨以下~= 400V。

即电路中的差异与N通道FET的Vg wrt接地电压和P通道FET的+400V电压有关。FET并不“知道”它的栅极所处的绝对电压——它只“关心”源的电压。


相关-在上述讨论后将会出现:

  • MOSFET是“2象限”开关。也就是说,对于一个N沟道开关,其中栅极和漏极相对于“4象限”中的源极的极性可以是++、+-、-、和++,MOSFET将以

    • Vds = +ve和Vgs +ve

    • Vds负极和Vgs正极

2016年初新增:

问:你提到电路2和3非常常见,为什么?
开关可以在两个象限中工作,是什么让我们选择P通道到N通道,高侧到低侧

A:如果你仔细看一遍,原始答案中有很多这方面的内容。但是…

打开时,所有电路仅在第1象限运行:你关于2象限运算的问题表明了对上述4个电路的误解。我在上面的最后提到了2象限运算,但这与正常的运算无关。以上4个电路都在其第一象限中工作-即Vgs极性= Vds极性在任何时候打开。
第二象限运算是可能的
Vgs极性=-Vds极性在开启时始终保持
但这通常会引起并发症,因为FET中内置的“体二极管”-见最后的“体二极管”部分。

在电路2和电路3中,栅极驱动电压总是位于电源轨道之间,因此没有必要使用“特殊”安排来推导驱动电压。

在电路1中,栅极驱动必须高于400V轨,以获得足够的Vgs来打开MOSFET。

在电路4中,栅极电压必须低于地。

为了获得这样的电压,通常使用“自举”电路,该电路通常使用二极管电容“泵”来提供额外的电压。

一种常见的安排是在桥接器中使用4 x N通道。
2 x低边FET通常有栅驱动-说0/12 V, 2高边FET需要(这里)sav 412V来供应+12V到高边FET,当FET打开。这在技术上并不困难,但需要做的更多,出错的更多,必须加以设计。自举电源通常由PWM开关信号驱动,因此有一个较低的频率,你仍然得到上门驱动。关闭交流电源,自举电压在漏电情况下开始衰减。也不是很难,只是最好避免。

使用4 × N通道是“好”的
都是匹配的,
同样的$ Rdson通常比P频道低。
注意!!!:如果封装是隔离的标签或使用绝缘安装,所有的都可以一起放在同一个散热器上-但一定要小心!!!
在这种情况下

  • 较低的2个有

    • 把排水管的电压调到400V

    • 消息来源是可靠的,

    • 比如说,栅极为0/12V。

虽然

  • 上面的两个有

    • 永久400V的排水管和

    • 在电源和电源上切换400V

    • 闸门上的电压为400/412 V。

身体二极管:通常遇到的所有fet在漏极和源极之间都有一个“固有的”或“寄生的”反向偏置体二极管。在正常操作中,这不会影响预期的操作。如果FET在第二象限工作(例如N通道Vds = -ve, Vgs = +ve)[[卖弄学问:如果你喜欢,就叫第三象限:-)]],那么当Vds为-ve时,FET关闭时,体二极管将导电。有情况下,这是有用的和需要的,但他们不是什么是通常发现在eg 4 FET桥。

*主体二极管的形成是因为形成器件层的衬底是导电的。具有绝缘衬底(如Saphire上的硅)的器件没有这种固有的主体二极管,但通常非常昂贵且专用)。

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  • \ \ begingroup \美元 你提到电路2和3是非常常见的,为什么?开关在两个象限都可以工作,为什么要选择p通道到n通道,高边到低边? \$\endgroup\$- - - - - -西塔拉曼 2016年3月28日7:19
  • 1
    \ \ begingroup \美元 @参见电路2和电路3中的拉曼,栅极驱动电压始终位于电源raisl之间,因此无需使用“特殊”布置来推导驱动电压。在cct 1中,栅极驱动必须高于400V导轨,以获得足够的VG来开启MOSFET。在cct 4中,栅极电压必须低于地面。|以获得此类电压“通常使用“自举”电路,通常使用二极管电容“泵”来提供额外的电压。|通常的安排是在电桥中使用4个N通道。2个低侧FET具有通常的栅极驱动,例如0/12 V,2个高侧。。。。 \$\endgroup\$- - - - - -拉塞尔•麦克马洪 2016年3月29日13:04
  • 1
    \ \ begingroup \美元 ....FET需要(这里)412V来供应+12V到高侧FET,当FET被打开。这在技术上并不困难,但需要做的更多,出错的更多,必须加以设计。自举电源通常由PWM开关信号驱动,因此有一个较低的频率,你仍然得到上门驱动。关闭交流电源,自举电压在漏电情况下开始衰减。也不是很难,只是最好避免。|使用4 × N通道是“好”的,因为所有都是匹配的,Rdson通常低于相同的$比P通道。如果pkgs是孤立的标签,所有可以一起去散热器- CARE!! \$\endgroup\$- - - - - -拉塞尔•麦克马洪 2016年3月29日13:08
  • 1
    \ \ begingroup \美元 @seetharaman -(1)参见addition to answer。(2)为了更好地处理你的帖子(甚至是评论/问题),你应该:正确地大写(例如you而不是you)。|使用正确的标点符号(例如“Why is that?”需要用问号。|以正确的拼写为目标(不要抄袭我:-))。(eh mentioned -> mentioned)。|你可能会认为我太“挑剔”了。和我。许多人关心这些事情,如果你的答案没有很好地呈现出来,他们就会很不好地对待你。也要瞄准那些不“run on”的句子(也不总是不好的)。如“…象限。什么……。”你写的还行,但是.... \$\endgroup\$- - - - - -拉塞尔•麦克马洪 2016年3月29日13:26
  • 1
    \ \ begingroup \美元 ....可以帮助读者更深入地理解。POR使用如“考虑到开关可以工作在两个象限,什么使…”。|注意,体二极管方向通常使2和3更好-见答案加法。 \$\endgroup\$- - - - - -拉塞尔•麦克马洪 2016年3月29日13:28
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\ \ begingroup \美元

这是一个好问题!有一些细微的差别,其他答案都忽略了,所以我想我应该插嘴。

简短的回答如下:

  • 拓扑#3(低侧n通道开关)是最常用的。由于MOSFET源端连接到地,因此栅极驱动非常简单。将栅极与地连接关闭。将栅极连接到离地5-10V的电压上开启。阅读你的MOSFET数据表,它会告诉你什么门电压你需要提供。

什么时候不使用这个拓扑?这样做的唯一主要原因是,如果您有一个负载需要有一个终端连接到电路接地,为电气安全或尽量减少电磁辐射/敏感性。一些汽车/ /热水器/风机/水泵等必须这样做,在这种情况下,您将被迫使用高端拓扑#1或#2。

  • 一个n沟道高边开关(拓扑#1)比一个同等大小/价格的p沟道高边开关有更好的性能,但栅驱动更复杂,必须相对于n沟道MOSFET源端,该源端随电路开关的不同而变化,但是有专门的栅极驱动集成电路,用于驱动高端n沟道mosfet。高压、大功率应用一般采用该拓扑。

  • P通道高压侧开关(拓扑#2)的性能比同等尺寸/价格的N通道高压侧开关差,但栅极驱动很简单:将栅极连接到正极导轨(“图纸中的+400V”)将其关闭,将栅极连接到正极导轨下方5-10V的电压将其打开。嗯,基本上很简单。在低电源电压(5-15V)下,基本上只需将栅极接地即可打开MOSFET。在较高电压(15-50V)下,通常可以使用电阻器和齐纳二极管创建偏置电源。高于50V,或者如果开关必须快速打开,这将变得不切实际,并且这种拓扑很少使用。

  • 最后一种拓扑#4(低压侧P通道开关)是所有拓扑中最差的(设备性能较差,门驱动电路复杂),基本上从未使用过。

我写了一个更详细的讨论博文

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    \ \ begingroup \美元

    您没有指定控制电压是否与接地有关,或者是否可以浮动。

    电路3是最实用的n通道方案。电源相对于地的电压是固定的,这意味着你可以提供一个固定的门源电压来控制它。MOSFET将在离地+2.5到+12V的任何地方“打开”,这取决于设备。

    1号赛道很棘手。当MOSFET关闭时,源是一个浮动节点(想象一个顶部电阻巨大的电阻分压器),位于接近零的地方。当MOSFET打开时,假设饱和,源极将非常接近400V。移动源意味着栅极对地控制电压也必须移动以保持MOSFET开启。

    电路1是更好的,如果你参考控制电压的源MOSFET,而不是接地。这是微不足道的,如果你打算驱动MOSFET与PWM信号与足够小的时间,以允许使用脉冲变压器或电荷泵驱动器。将控制电压固定到MOSFET的源意味着MOSFET可以上下浮动,因为它想要,而不影响驱动器。

    2号电路和3号电路一样简单。如果控制电压参考地,证明从栅极到地397.5V到388V(从栅极到源极-2.5到-12V)将打开MOSFET。电源是固定的(总是在+400V),所以控制栅极意味着你所需要的是一个固定的电压。(除非你的400V总线崩溃,但那是另一个问题)。

    第四赛道和第二赛道一样棘手。当MOSFET关闭时,电源位于400V附近。当它打开时,它将降至接近零。可变电源意味着相对于地面的可变栅极电源,这也是一个混乱的命题。

    一般来说,尽可能保持源的固定,或者如果它们必须浮动,使用浮动供应来控制它们。

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