Conmutación de CC con MOSFET: ¿canal p o canal n; carga en el lado bajo o en el lado alto?

Question

Creo que es hora de que entienda el principio de funcionamiento de los transistores MOSFET...

Supongamos que;

• Quiero conmutar la tensión en una carga resistiva mediante un transistor MOSFET.
• Se puede generar fácilmente cualquier señal de control entre -500V y +500V.
• Los modelos de transistores de la imagen no son importantes, pueden ser también de cualquier otro modelo apropiado.

Pregunta nº 1
¿Qué técnicas de conducción son viables? Es decir, ¿cuál de estos cuatro circuitos funcionaría con señales de control correctamente aplicadas?

Pregunta nº 2
¿Cuál es el rango del nivel de tensión de las señales de control (CS1, CS2, CS3, CS4) que carga y descarga la resistencia? (Entiendo que los límites exactos de los estados de encendido y apagado deben ser calculados individualmente. Pero estoy pidiendo valores aproximados para entender el principio de funcionamiento. Por favor, indique afirmaciones como " En el circuito (2), el transistor se enciende cuando CS2 está por debajo de 397V y se apaga cuando está por encima de 397V. ".)

Answer 1

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

En lugar de darte una serie de respuestas basadas en la tensión, te daré algunas reglas generales que son mucho más útiles una vez que las entiendes.

• Los MOSFETs tienen una Vgs o Vsg máxima segura más allá de la cual pueden ser destruidos, Esto suele ser más o menos lo mismo en cualquier dirección y es más un resultado de la construcción y los espesores de las capas de óxido.

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

  • En sentido positivo para los FET de canal N.
  • En dirección negativa para los FET de canal P.

Esto da sentido al control de los FETs en los circuitos anteriores.

Definir una tensión Vgsm como la tensión máxima que la puerta puede ser más +ve que la fuente con seguridad.
Definir -Vgsm como lo máximo que Vg puede ser negativo respecto a s.

Defina Vth como el voltaje que debe tener la puerta respecto a la fuente para que el FET se encienda. Vth es +ve para los FET de canal N y negativo para los FET de canal P.

---

SO

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

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

Circuito 1 Exactamente igual que el circuito 3
es decir, las tensiones relativas al FET son idénticas. No es de extrañar cuando se piensa en ello. PERO Vg será ahora ~= 400V en todos los tiempos.

Circuito 4 Exactamente igual que el circuito 2
es decir, las tensiones relativas al FET son idénticas. De nuevo, no es una sorpresa cuando se piensa en ello. PERO Vg será ahora ~= 400V por debajo del carril de 400V en todo momento.

Es decir, la diferencia en los circuitos está relacionada con la tensión de Vg respecto a tierra para un FET de canal N y de +400V para un FET de canal P. El FET no "conoce" la tensión absoluta de su puerta, sólo se preocupa por las tensiones respecto a la fuente.

---

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

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

  • Vds = +ve y Vgs +ve

  O

  • Vds negativo y Vgs positivo

---

Añadido a principios de 2016:

P: Ha mencionado que los circuitos 2 y 3 son muy comunes, ¿por qué?
Los interruptores pueden funcionar en ambos cuadrantes, ¿qué hace que uno elija el canal P al canal N, el lado alto al lado bajo? -

R: Esto está cubierto en gran medida en la respuesta original si se revisa cuidadosamente. Pero...

TODOS los circuitos funcionan sólo en el 1er cuadrante cuando están encendidos: Su pregunta sobre el funcionamiento de 2 cuadrantes indica un malentendido de los 4 circuitos anteriores. He mencionado el funcionamiento de 2 cuadrantes al final (arriba) PERO no es relevante en el funcionamiento normal. Todos los 4 circuitos de arriba están operando en su 1er cuadrante - es decir, la polaridad Vgs = la polaridad Vds en todo momento cuando se enciende.
El funcionamiento del segundo cuadrante es posible, es decir
Polaridad Vgs = - Polaridad Vds en todo momento cuando está encendido
PERO esto suele causar complicaciones debido al "diodo de cuerpo" incorporado en el FET - véase la sección "Diodo de cuerpo" al final.

En los circuitos 2 y 3, la tensión de accionamiento de la puerta siempre se encuentra entre los carriles de la fuente de alimentación, por lo que no es necesario utilizar disposiciones "especiales" para derivar las tensiones de accionamiento.

En el circuito 1 el accionamiento de la puerta debe estar por encima del carril de 400V para obtener suficiente Vgs para encender el MOSFET.

En el circuito 4 la tensión de la puerta debe estar por debajo de tierra.

Para conseguir estos voltajes se suelen utilizar circuitos de "arranque" que suelen utilizar una "bomba" de condensadores de diodos para dar el voltaje extra.

Una disposición común es utilizar 4 x N Channel en un puente.
Los 2 x FETs del lado bajo tienen un accionamiento de puerta habitual - digamos 0/12 V, y los 2 FETS del lado alto necesitan (aquí) sav 412V para suministrar +12V a los FETS del lado alto cuando el FET se enciende. Esto no es técnicamente difícil, pero es más que hacer, más para ir mal y debe ser diseñado. El suministro de arranque es a menudo impulsado por las señales de conmutación PWM por lo que hay una frecuencia más baja en la que todavía se obtiene la unidad de puerta superior. Apague la CA y el voltaje de arranque comienza a decaer bajo la fuga. De nuevo, no es difícil, pero es bueno evitarlo.

El uso de 4 x N canales es "bonito" ya que
todos están emparejados,
La Rdson suele ser más baja para el mismo $ que el canal P.
¡¡¡NOTA!!! Si los paquetes están aislados de la lengüeta o utilizan un montaje aislado, todos pueden ir juntos en el mismo disipador - ¡¡¡PERO tenga el debido cuidado!!!
En este caso

• Los 2 inferiores tienen

  • conmutó 400V en los desagües y

  • las fuentes están conectadas a tierra,

  • las puertas están a 0/12V digamos.

mientras que

• los 2 superiores tienen

  • permanente de 400V en los desagües y

  • conmutado 400V en las fuentes y

  • 400/412 V en las puertas.

Diodo del cuerpo: Todos los FETS que se encuentran habitualmente* tienen un diodo de cuerpo "intrínseco" o "parásito" con polarización inversa entre el drenaje y la fuente. En funcionamiento normal, esto no afecta al funcionamiento previsto. Si el FET funciona en el 2º cuadrante (por ejemplo, para el canal N Vds = -ve, Vgs = +ve) [[pedantería: llámelo 3º si quiere :-) ]], el diodo de cuerpo conducirá cuando el FET se apague cuando Vds sea -ve. Hay situaciones en las que esto es útil y deseado, pero no son las que se encuentran comúnmente en, por ejemplo, los puentes de 4 FET.

*El cuerpo del diodo 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 el Silicio sobre Saphire), no tienen este diodo de cuerpo intrínseco, pero suelen ser muy caros y especializados).

Answer 2

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 nº 3 (interruptor de canal N del lado bajo) es la más utilizada. Dado que el terminal fuente del MOSFET está conectado a tierra, el accionamiento de la puerta es sencillo. Conecte la puerta a tierra para apagar. Conecte la puerta a un voltaje de 5-10V por encima de tierra para encenderlo. Lee la hoja de datos de tu MOSFET y te dirá qué voltaje de puerta necesitas proporcionar.

¿Cuándo no usarías esta topología? La única razón importante para hacerlo es si tiene una carga que necesita tener un terminal atado a la tierra del circuito, por seguridad eléctrica o para minimizar la radiación/susceptibilidad electromagnética. Algunos motores/ventiladores/bombas/calentadores/etc. debe hacer esto, en cuyo caso se ve obligado a utilizar la topología de lado alto #1 o #2.

• Un conmutador de lado alto de canal N (topología nº 1) tiene un mejor rendimiento que un conmutador de lado alto de canal P de tamaño y precio comparables, pero el accionamiento de la puerta es más complicado y tiene que ser relativo al terminal de fuente del MOSFET de canal N, que varía a medida que el circuito cambia, pero hay CI de accionamiento de puerta especializados que están pensados para accionar MOSFETS de canal N de lado alto. Las aplicaciones de alto voltaje o alta potencia suelen utilizar esta topología.

• Un interruptor de lado alto de canal P (Topología #2) tiene peor rendimiento que un interruptor de lado alto de canal N de tamaño/precio comparable, pero el accionamiento de la puerta es sencillo: conecte la puerta al carril positivo ("+400V" en su dibujo) para apagarlo, y conecte la puerta a un voltaje que esté 5-10V por debajo del carril positivo para encenderlo. Bueno, en gran parte es sencillo. A bajas tensiones de alimentación (5-15V), puedes conectar la puerta a tierra para encender el MOSFET. A tensiones más altas (15-50V), a menudo se puede crear una alimentación de polarización con una resistencia y un diodo zener. Por encima de 50V, o si el interruptor tiene que encenderse rápidamente, esto se vuelve poco práctico y esta topología se utiliza con menos frecuencia.

• La última topología #4 (interruptor de canal P de lado bajo) tiene el peor de los mundos (peor rendimiento del dispositivo, circuito de accionamiento de compuerta complejo) y esencialmente nunca se utiliza.

He escrito una discusión más detallada en una entrada del blog .

Answer 3

No especifica si la tensión de control es con respecto a tierra, o si puede flotar.

El circuito 3 es el esquema de canal N más práctico. La fuente está a una tensión fija con respecto a tierra, lo que significa que se puede proporcionar una tensión puerta-fuente fija para controlarlo. El MOSFET estará "encendido" en cualquier lugar entre +2,5 y +12V sobre tierra, dependiendo del dispositivo.

El circuito 1 es complicado. Cuando el MOSFET está apagado, la fuente es una especie de nodo flotante (imagina un divisor de resistencias con la resistencia superior enorme) sentado en algún lugar cerca de cero. Cuando el MOSFET está encendido, la fuente estará muy cerca de los 400V asumiendo la saturación. Una fuente en movimiento significa que la tensión de control puerta-tierra tendría que moverse también para mantener el MOSFET encendido.

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

El circuito 2 es tan sencillo como el 3. Si la tensión de control está referenciada a tierra, probando 397,5V a 388V de la puerta a tierra (-2,5 a -12V de la puerta a la fuente) se encenderá el MOSFET. La fuente es fija (siempre a +400V) por lo que controlar la puerta significa una tensión fija es todo lo que necesitas. (A no ser que tu bus de 400V se colapse, pero ese es otro tema).

El circuito 4, como el 2, es complicado. Cuando el MOSFET está apagado, la fuente se sitúa cerca de los 400V. Cuando está encendido, caerá a casi cero. Una fuente variable significa una alimentación variable de la puerta con respecto a la tierra, lo que de nuevo es una propuesta complicada.

En general, mantén tus fuentes fijas siempre que sea posible, o si tienen que flotar, utiliza una fuente flotante para controlarlas.