Commutation CC avec MOSFET: canal p ou canal n; Faible charge latérale ou charge latérale élevée?

Je pense qu'il est temps que je comprenne le principe de fonctionnement des transistors MOSFET ...

Supposer que;

• Je veux commuter la tension sur une charge résistive par un transistor MOSFET.
• Tout signal de commande entre -500V et + 500V peut être facilement généré.
• Les modèles de transistors dans l'image ne sont pas importants, ils peuvent également être de n'importe quel autre modèle approprié.

Question 1
Quelles sont les techniques de conduite réalisables? Je veux dire, lequel de ces quatre circuits fonctionnerait avec des signaux de commande correctement appliqués?

Question n ° 2
Quelle est la plage du niveau de tension des signaux de contrôle (CS1, CS2, CS3, CS4) qui charge et décharge la résistance? (Je comprends que les limites exactes des états activé et désactivé doivent être calculées individuellement. Mais je demande des valeurs approximatives pour comprendre le principe de fonctionnement. Veuillez donner des instructions du type " Dans le circuit (2), le transistor s'allume lorsque CS2 est inférieur à 397V et s’éteint au-dessus de 397 V. ".)

Tous les circuits sont réalisables lorsqu'ils sont correctement conduits, mais les circuits 2 et 3 sont beaucoup plus courants, bien plus faciles à conduire et beaucoup plus sûrs pour ne pas mal faire les choses.

Plutôt que de vous donner un ensemble de réponses basées sur la tension, je vais vous donner quelques règles générales qui sont beaucoup plus utiles une fois que vous les comprenez.

• Les MOSFET ont un maximum de sécurité Vgs ou Vsg au-delà duquel ils peuvent être détruits. Ceci est généralement à peu près le même dans les deux sens et résulte davantage de la construction et de l'épaisseur des couches d'oxyde.

• MOSFET sera "allumé" lorsque Vg se situera entre Vth et Vgsm

  • Dans une direction positive pour les FET à canal N.
  • En sens négatif pour les FET de canal P.

Cela justifie le contrôle des FET dans les circuits ci-dessus.

Définissez une tension Vgsm comme la tension maximale que la grille peut être supérieure à la source en toute sécurité.
Définissez -Vgsm comme le maximum de Vg pouvant être négatif par rapport à s.

Définissez Vth comme étant la tension qu'une porte doit avoir comme source pour allumer simplement le FET. Vth est + ve pour les FET à canal N et négatif pour les FET à canal P.

ALORS

Le circuit 3
MOSFET est sans danger pour Vgs dans la plage +/- Vgsm.
MOSFET est activé pour Vgs> + Vth

Le circuit 2
MOSFET est sans danger pour Vgs dans la plage +/- Vgsm.
MOSFET est activé pendant - Vgs> -Vth (la porte est plus négative que drain par la magnitude de Vth.

Circuit 1 Exactement le même que le circuit 3
c’est-à-dire que les tensions par rapport au FET sont identiques. Pas de surprise quand on y pense. MAIS Vg sera maintenant ~ = 400 V à tout moment.

Circuit 4 Exactement le même que le circuit 2
c’est-à-dire que les tensions par rapport au FET sont identiques. Encore une fois, pas de surprise quand on y pense. MAIS Vg sera maintenant à environ 400 V sous le rail 400 V à tout moment.

c'est-à-dire que la différence dans les circuits est liée à la tension de Vg par rapport à la masse pour un FET à canal N et à + 400 V pour un FET à canal P. Le FET ne "connaît" pas la tension absolue à laquelle se trouve sa grille - il ne se "soucie" que des tensions par rapport à la source.

Connexes - se poseront en cours de route après la discussion ci-dessus:

• Les MOSFETS sont des commutateurs à «2 quadrants». En d’autres termes, pour un commutateur à N canaux où la polarité de la grille et du drain par rapport à la source dans "4 quadrants" peut être + +, + -, - - et - +, le MOSFET s’allumera avec

  • Vds = + ve et Vgs + ve

  OU

  • Vds négatif et Vgs positif

Ajouté début 2016:

Q: Vous avez mentionné le fait que les circuits 2 et 3 sont très courants, pourquoi?
Les commutateurs peuvent fonctionner dans les deux quadrants. Qu'est-ce qui fait que l'on choisit canal P à canal N, du haut au bas? -

R: Ceci est en grande partie couvert dans la réponse originale si vous le parcourez avec soin. Mais ...

TOUS les circuits fonctionnent uniquement dans le 1er quadrant lorsque: La question sur le fonctionnement dans les 2 quadrants indique une incompréhension des 4 circuits ci-dessus. J'ai mentionné le fonctionnement à 2 quadrants à la fin (ci-dessus) MAIS il n'est pas pertinent en fonctionnement normal. Les 4 circuits ci-dessus fonctionnent dans leur premier quadrant - c’est-à-dire que la polarité Vgs = la polarité Vds à tout moment lorsqu’elle est activée.
Fonctionnement dans le 2e quadrant, c’est-à-dire que la
polarité Vgs = - La polarité Vds est toujours active
à la mise sous tension MAIS cela entraîne généralement des complications en raison de la "diode corporelle" intégrée dans le FET - voir la section "Diode corporelle" à la fin.

Dans les circuits 2 et 3, la tension de commande de grille se situe toujours entre les rails d'alimentation, ce qui rend inutile l'utilisation de dispositions "spéciales" pour obtenir les tensions de commande.

Dans le circuit 1, la commande de grille doit être au-dessus du rail 400V pour obtenir assez de Vgs pour allumer le MOSFET.

Dans le circuit 4, la tension de grille doit être inférieure à la terre.

Pour réaliser de telles tensions, des circuits "bootstrap" sont souvent utilisés, lesquels utilisent généralement une "pompe" à condensateur à diode pour fournir la tension supplémentaire.

Un arrangement commun consiste à utiliser 4 x canal N dans un pont.
Les 2 FET côté bas ont une commande de grille habituelle - disons 0/12 V, et les 2 FETS côté Haut doivent (ici) enregistrer 412V pour fournir +12 V aux FETS côté Haut lorsque le FET est allumé. Ce n’est pas techniquement difficile, mais c’est plus à faire, plus à faire fausse route et à concevoir. L'alimentation d'amorçage est souvent pilotée par les signaux de commutation PWM, de sorte qu'il existe une fréquence inférieure à laquelle vous obtenez toujours une commande de grille supérieure. Éteignez le courant alternatif et la tension de démarrage commence à décroître en cas de fuite. Encore une fois, pas difficile, juste agréable à éviter.

L'utilisation du canal 4 x N est "agréable" car
tous les éléments sont mis en correspondance,
Rdson est généralement inférieur pour le même canal que le canal P.
NOTE !!!: Si les paquets sont isolés par un onglet ou utilisent un montage isolé, tout peut aller ensemble sur le même dissipateur thermique - MAIS il faut prendre les précautions qui s'imposent !!!
Dans ce cas

• Les 2 plus bas ont

  • commuté 400V sur les drains et

  • les sources sont mises à la terre,

  • les portes sont à 0 / 12V par exemple.

tandis que

• les 2 supérieurs ont

  • 400V permanent sur les drains et

  • commuté 400V sur les sources et

  • 400/412 V sur les portes.

Corps diode: Tous les FETS que l'on rencontre habituellement * ont une diode corporelle polarisée en inverse "intrinsèque" ou "parasite" entre le drain et la source. En fonctionnement normal, cela n'affecte pas le fonctionnement prévu. Si le FET est utilisé dans le 2e quadrant (par exemple, pour le canal N, Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pédantry: appelez-le en 3 si vous aimez :-)]], la diode corporelle se déclenche lorsque le FET est tourné éteint quand Vds est -ve. Il existe des situations où cela est utile et souhaité mais ne correspond pas à ce que l'on trouve couramment dans les ponts à 4 FET, par exemple.

* La diode du corps est formée parce que le substrat sur lequel les couches de dispositif sont formées est conducteur. Les appareils avec un substrat isolant (tel que Silicon on Saphire) n’ont pas cette diode corporelle intrinsèque, mais sont généralement très coûteux et spécialisés.

C'est une bonne question! Il y a certaines nuances que les autres réponses ont manquées, alors je me suis dit que je devrais intervenir.

La réponse courte est la suivante:

• La topologie n ° 3 (commutateur de canal N côté bas) est la plus couramment utilisée. Puisque le terminal source MOSFET est connecté à la terre, la commande de grille est simple. Connectez la porte à la terre pour l'éteindre. Connectez la porte à une tension de 5-10 V au dessus de la terre pour l'allumer. Lisez votre fiche technique MOSFET et elle vous indiquera quelle tension de grille vous devez fournir.

Quand utiliseriez-vous jamais cette topologie? La seule raison majeure de le faire est si vous avez une charge qui doit avoir une borne reliée à la terre du circuit, pour des raisons de sécurité électrique ou pour minimiser les radiations / susceptibilités électromagnétiques. Quelques moteurs / ventilateurs / pompes / appareils de chauffage / etc doivent le faire, auquel cas vous êtes obligé d'utiliser la topologie de haut côté # 1 ou # 2.

• Un commutateur côté haut canal N (topologie n ° 1) offre de meilleures performances qu'un commutateur côté canal P de taille et de prix comparables, mais la commande de grille est plus compliquée et doit être relative à la source MOSFET à canal N borne, qui varie en fonction des commutateurs de circuit, mais il existe des circuits intégrés de commande de porte spécialisés destinés à commander des transistors MOSFETS à canal N de haut côté. Les applications haute tension ou haute puissance utilisent généralement cette topologie.

• Un commutateur côté haut côté canal P (topologie n ° 2) a de moins bonnes performances qu'un commutateur côté haut canal N de taille comparable / prix dessin) pour l’éteindre et connecter la porte à une tension située entre 5 et 10 V sous le rail positif pour l’allumer. Eh bien, la plupart du temps simple. Aux faibles tensions d'alimentation (5-15V), vous pouvez essentiellement connecter la porte à la terre pour allumer le MOSFET. À des tensions plus élevées (15-50 V), vous pouvez souvent créer une alimentation de polarisation avec une résistance et une diode Zener. Au-dessus de 50 V, ou si le commutateur doit s’allumer rapidement, cela devient peu pratique et cette topologie est moins souvent utilisée.

• La dernière topologie n ° 4 (commutateur de canal P côté bas) présente le pire de tous les mondes (performances de périphérique moins bonnes, circuit de commande de porte complexe) et n’est pratiquement jamais utilisée.

J'ai écrit une discussion plus détaillée dans un article de blog .

Vous ne spécifiez pas si la tension de commande est relative à la terre ou si elle peut flotter.

Le circuit 3 est le schéma de canal N le plus pratique. La source est à une tension fixe par rapport à la terre, ce qui signifie que vous pouvez fournir une tension grille-source fixe pour la contrôler. Le MOSFET sera «allumé» n'importe où entre +2,5 et + 12V au dessus du sol, en fonction de l'appareil.

Le circuit 1 est délicat. Lorsque le MOSFET est désactivé, la source est en quelque sorte un noeud flottant (imaginez un diviseur de résistance dont la résistance supérieure est énorme) se situant quelque part près de zéro. Lorsque le MOSFET est activé, la source sera très proche de 400V en supposant une saturation. Une source en mouvement signifie que la tension de commande de grille à la terre devrait également évoluer pour que le MOSFET soit activé.

Le circuit 1 est préférable si vous référencez la tension de commande à la source du MOSFET et non à la terre. Ceci est trivial si vous avez l'intention de piloter le MOSFET avec un signal PWM avec un temps d'activation suffisamment petit pour permettre l'utilisation d'un transformateur d'impulsions ou d'un pilote de pompe de charge. Fixer la tension de commande à la source du MOSFET signifie que le MOSFET peut flotter de haut en bas à volonté, sans impacter le variateur.

Le circuit 2 est simple comme le circuit 3. Si la tension de commande est référencée à la terre, le passage de 397,5 V à 388 V de grille à la terre (-2,5 à -12 V de grille à source) activera le MOSFET. La source est fixe (toujours à + 400 V), vous devez donc contrôler la porte pour obtenir une tension fixe. (À moins que votre bus 400V ne s'effondre, mais c'est un autre problème).

Le circuit 4, comme le circuit 2, est délicat. Lorsque le MOSFET est éteint, la source se situe près de 400V. Quand il est allumé, il tombera à près de zéro. Une source variable signifie une alimentation de porte variable par rapport à la terre, ce qui est encore une proposition en désordre.

En général, maintenez vos sources fixes dans la mesure du possible, ou si elles doivent flotter, utilisez une alimentation flottante pour les contrôler.