Acho que é hora de entender o princípio de funcionamento dos transistores MOSFET ...
Suponha que;
- Eu quero mudar a tensão em uma carga resistiva por um transistor MOSFET.
- Qualquer sinal de controle entre -500V e + 500V pode ser facilmente gerado.
- Os modelos de transistor na imagem não são importantes, pois também podem ser de qualquer outro modelo apropriado.
Pergunta # 1
Quais das técnicas de condução são viáveis? Quero dizer, qual desses quatro circuitos funcionaria com sinais de controle aplicados corretamente?
Pergunta nº 2
Qual é a faixa do nível de tensão dos sinais de controle (CS1, CS2, CS3, CS4) que carrega e descarrega o resistor? (Entendo que os limites exatos dos estados ligado e desligado devem ser calculados individualmente. Mas estou solicitando valores aproximados para entender o princípio de funcionamento. Por favor, forneça declarações como " No circuito (2), o transistor liga quando CS2 está abaixo de 397V e desliga quando estiver acima de 397V. ".)
transistors
mosfet
dc
control
hkBattousai
fonte
fonte
Respostas:
Todos os circuitos são viáveis quando acionados corretamente, mas os 2 e 3 são muito mais comuns, muito mais fáceis de dirigir e muito mais seguros, não fazendo as coisas de maneira errada.
Em vez de fornecer um conjunto de respostas baseadas em voltagem, darei algumas regras gerais que são muito mais úteis quando você as entender.
Os MOSFETs têm um Vgs ou Vsg máximo seguro além do qual eles podem ser destruídos. Geralmente é o mesmo em qualquer direção e é mais o resultado da espessura da construção e da camada de óxido.
O MOSFET estará "ativado" quando Vg estiver entre Vth e Vgsm
Isso faz sentido de controlar os FETs nos circuitos acima.
Defina uma tensão Vgsm como a tensão máxima que o gate pode ser mais + ve que a fonte com segurança.
Defina -Vgsm como o máximo que Vg pode ser negativo em relação a s.
Defina Vth como a voltagem em que um gate deve ser fonte de energia para apenas ligar o FET. Vth é + ve para os FETs do canal N e negativo para os FETs do canal P.
ENTÃO
O circuito 3
MOSFET é seguro para Vgs no intervalo +/- Vgsm.
MOSFET está ativado para Vgs> + Vth
O circuito 2
MOSFET é seguro para Vgs no intervalo +/- Vgsm.
O MOSFET está ativado para - Vgs> -Vth (ou seja, o portão é mais negativo que o dreno pela magnitude de Vth.
Circuito 1 Exatamente o mesmo que no circuito 3,
ou seja, as tensões relativas ao FET são idênticas. Não é surpresa quando você pensa sobre isso. MAS Vg agora será ~ = 400V em todos os tempos.
Circuito 4 Exatamente o mesmo que o circuito 2,
ou seja, as tensões relativas ao FET são idênticas. Novamente, não é surpresa quando você pensa sobre isso. MAS Vg agora estará ~ = 400V abaixo do trilho de 400V o tempo todo.
isto é, a diferença nos circuitos está relacionada à tensão do terra Vg wrt para um canal FET de N canal e + 400V para um canal FET de canal P. O FET não "sabe" a voltagem absoluta em que o seu portão está - apenas "se preocupa" com as voltagens da fonte.
Relacionado - surgirá ao longo do caminho após a discussão acima:
MOSFETS são comutadores '2 quadrante'. Ou seja, para um comutador de canal N em que a polaridade de gate e dreno em relação à fonte em "4 quadrantes" pode ser + +, + -, - - e - +, o MOSFET será ativado com
OU
Adicionado no início de 2016:
P: Você mencionou que os circuitos 2 e 3 são muito comuns, por que isso?
Os switches podem funcionar em ambos os quadrantes, o que faz com que escolha canal P para N, lado alto para lado baixo? -
R: Isso é amplamente abordado na resposta original se você a examinar com cuidado. Mas ...
TODOS os circuitos operam apenas no 1º quadrante quando ativados: Sua pergunta sobre a operação em 2 quadrantes indica um mal-entendido dos 4 circuitos acima. Mencionei a operação de 2 quadrantes no final (acima), mas não é relevante na operação normal. Todos os quatro circuitos acima estão operando em seu primeiro quadrante - isto é, polaridade Vgs = polaridade Vds em todos os momentos quando ligados.
A operação no segundo quadrante é possível, isto é,
polaridade Vgs = - polaridade Vds em todos os momentos quando ativada,
mas isso geralmente causa complicações devido ao "diodo corporal" incorporado no FET - consulte a seção "Diodo corporal" no final.
Nos circuitos 2 e 3, a tensão do inversor sempre fica entre os trilhos da fonte de alimentação, tornando desnecessário o uso de disposições "especiais" para derivar as tensões do inversor.
No circuito 1, o acionamento do portão deve estar acima do trilho de 400V para obter Vgs suficientes para ligar o MOSFET.
No circuito 4, a tensão do portão deve estar abaixo do solo.
Para atingir essas tensões, os circuitos de "inicialização" são frequentemente usados, os quais geralmente usam uma "bomba" de capacitor de diodo para fornecer tensão extra.
Um arranjo comum é usar 4 x N Channel em uma ponte.
Os 2 x FETs do lado inferior têm acionamento por portão habitual - digamos 0/12 V, e os 2 FETS do lado alto precisam (aqui) economizar 412V para fornecer + 12V aos FETS do lado alto quando o FET está ligado. Tecnicamente, isso não é difícil, mas é mais a fazer, mais a dar errado e deve ser projetado. O fornecimento de bootstrap geralmente é acionado pelos sinais de comutação PWM, portanto, há uma frequência mais baixa na qual você ainda recebe a unidade de porta superior. Desligue o AC e a tensão de autoinicialização começa a diminuir devido a vazamentos. Novamente, não é difícil, é bom evitar.
Usar o canal 4 x N é "legal", pois
todos são correspondidos,
Rdson é geralmente mais baixo pelo mesmo canal $ do que P.
NOTA !!!: Se os pacotes estiverem com aba isolada ou usarem montagem isolada, todos poderão ir juntos no mesmo dissipador de calor - MAS tome a devida atenção !!!
Nesse caso
Os 2 inferiores têm
400V ligado nos drenos e
fontes são aterradas,
portões estão em 0 / 12V dizer.
enquanto
os 2 superiores têm
400V permanentes nos drenos e
400V ligado nas fontes e
400/412 V nos portões.
Diodo corporal: Todos os FETS que são geralmente encontrados * têm um diodo corporal polarizado "intrínseco" ou "parasitário" entre o dreno e a fonte. Em operação normal, isso não afeta a operação pretendida. Se o FET for operado no 2º quadrante (por exemplo, para o canal N Vds = -ve, Vgs = + ve) [[pedantry: chame esse 3º se desejar :-)]], o diodo do corpo será conduzido quando o FET for ativado desligado quando Vds é -ve. Existem situações em que isso é útil e desejado, mas não é o que é comumente encontrado em, por exemplo, 4 pontes FET.
* O diodo do corpo é formado devido ao substrato no qual as camadas do dispositivo são formadas. O dispositivo com um substrato isolante (como o Silicon on Saphire), não possui esse diodo corporal intrínseco, mas geralmente é muito caro e especializado).
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Essa é uma boa pergunta! Existem algumas nuances que as outras respostas perderam, então pensei em entrar na conversa.
A resposta curta é a seguinte:
Quando você nunca usaria essa topologia? A única razão principal para fazer isso é se você tiver uma carga que precise ter um terminal ligado ao terra do circuito, por segurança elétrica ou para minimizar a radiação / suscetibilidade eletromagnética. Alguns motores / ventiladores / bombas / aquecedores / etc devem fazer isso. Nesse caso, você é forçado a usar a topologia lateral 1 ou 2.
Um switch do lado alto de canal N (Topologia nº 1) tem melhor desempenho que um switch do lado P de tamanho comparável / com preço / preço P, mas a unidade do gate é mais complicada e deve ser relativa à fonte MOSFET do canal N terminal, que varia conforme o circuito alterna, mas existem CIs de acionamento de porta especializados destinados a acionar MOSFETS de canal N do lado alto. Aplicativos de alta tensão ou alta potência geralmente usam essa topologia.
Um switch do lado alto do canal P (Topologia # 2) tem desempenho inferior ao de um switch do lado N do tamanho comparável / com preço / preço, mas o acionamento do gate é simples: conecte o gate ao trilho positivo ("+ 400V" no seu desenho) para desligá-lo e conecte a porta a uma tensão 5-10V abaixo do trilho positivo para ligá-lo. Bem, principalmente simples. Em baixas tensões de alimentação (5-15V), você pode basicamente conectar o portão ao terra para ativar o MOSFET. Em tensões mais altas (15-50V), você pode criar uma fonte de polarização com um resistor e um diodo zener. Acima de 50V, ou se o switch precisar ser ligado rapidamente, isso é impraticável e essa topologia é menos usada.
A última topologia nº 4 (comutador de canal P do lado inferior) tem o pior de todos os mundos (pior desempenho do dispositivo, circuito complexo de acionamento de portas) e basicamente nunca é usada.
Eu escrevi uma discussão mais detalhada em um post do blog .
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Você não especifica se a tensão de controle é em relação ao terra ou se pode flutuar.
O circuito 3 é o esquema de canal N mais prático. A fonte está em uma tensão fixa em relação ao terra, o que significa que você pode fornecer uma tensão de fonte de porta fixa para controlá-la. O MOSFET estará 'ligado' em qualquer lugar entre +2,5 e + 12V acima do solo, dependendo do dispositivo.
O circuito 1 é complicado. Quando o MOSFET está desligado, a fonte é um nó flutuante (imagine um divisor de resistor com o resistor superior enorme) sentado em algum lugar próximo de zero. Quando o MOSFET estiver ativado, a fonte estará muito próxima de 400V, assumindo a saturação. Uma fonte em movimento significa que a tensão de controle portão-terra também teria que se mover para manter o MOSFET ligado.
O circuito 1 é melhor se você referenciar a tensão de controle à fonte do MOSFET e não ao terra. Isso é trivial se você pretende acionar o MOSFET com um sinal PWM com pontualidade suficientemente pequena para permitir o uso de um transformador de pulso ou driver de bomba de carga. Fixar a tensão de controle na fonte do MOSFET significa que o MOSFET pode flutuar para cima e para baixo conforme desejar, sem afetar o inversor.
O circuito 2 é direto como o circuito 3. Se a tensão de controle for referenciada ao terra, provar 397,5V a 388V de porta a terra (-2,5 a -12V de porta a fonte) ligará o MOSFET. A fonte é fixa (sempre em + 400V), portanto, controlar o portão significa que uma tensão fixa é tudo que você precisa. (A menos que seu barramento de 400V desmorone, mas isso é outra questão).
O circuito 4, como o circuito 2, é complicado. Quando o MOSFET está desligado, a fonte fica perto de 400V. Quando está ligado, cairá para quase zero. Uma fonte variável significa uma fonte de porta variável em relação ao solo, o que é novamente uma proposta confusa.
Em geral, mantenha suas fontes fixas sempre que possível, ou se elas tiverem que flutuar, use um suprimento flutuante para controlá-las.
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