MOSFET के साथ डीसी स्विचिंग: पी-चैनल या एन-चैनल; लो साइड लोड या हाई साइड लोड?

Question

मुझे लगता है, यह समय है कि मैं MOSFET ट्रांजिस्टर के काम के सिद्धांत को समझता हूं ...

मान लो कि;

• मैं MOSFET ट्रांजिस्टर द्वारा एक प्रतिरोधक भार पर वोल्टेज स्विच करना चाहता हूं।
• 500V और + 500V के बीच कोई भी नियंत्रण संकेत आसानी से उत्पन्न किया जा सकता है।
• चित्र में ट्रांजिस्टर मॉडल महत्वपूर्ण नहीं हैं, वे किसी अन्य उपयुक्त मॉडल के भी हो सकते हैं।

प्रश्न # 1
कौन सी ड्राइविंग तकनीक संभव है? मेरा मतलब है, इन चार सर्किटों में से कौन सा सही ढंग से लागू नियंत्रण संकेतों के साथ काम करेगा?

प्रश्न # 2
नियंत्रण संकेतों (CS1, CS2, CS3, CS4) के वोल्टेज स्तर की सीमा क्या है जो अवरोधक को लोड और अनलोड करती है? (मैं समझता हूं कि चालू और बंद राज्यों की सटीक सीमाओं की गणना व्यक्तिगत रूप से की जानी चाहिए। लेकिन मैं काम करने वाले सिद्धांत को समझने के लिए अनुमानित मानों के लिए कह रहा हूं। कृपया " इन सर्किट (2), जैसे बयान दें कि ट्रांजिस्टर चालू हो जाए जब CS2 397V से नीचे हो। और 397V से ऊपर होने पर बंद हो जाता है। ")

Comments

मान लीजिए कि ... 500V और + 500V के बीच कोई भी नियंत्रण संकेत आसानी से उत्पन्न हो सकता है - कुछ दमन ! मुझे लगता है कि हम विभिन्न उद्योगों में काम करते हैं।

— केविन वर्मियर

@ केविन वर्मर: मैं केवल अब के लिए सिद्धांत सीखने की कोशिश कर रहा हूं।

— hkBattousai

आह, यह अधिक समझ में आता है। क्या आप उच्च-वोल्टेज क्षेत्र में प्रवेश करने के लक्ष्य के साथ सीख रहे हैं? आप 400V संकेतों पर काम करने के लिए सीखने को कठिन बनाने वाली जटिलताओं को जोड़ सकते हैं।

— केविन वर्मेयर

@ केविन वर्मर: मैं चाहता था कि लोग मेरे प्रश्न का उत्तर सामान्य तरीके से दें, सभी पर विचार करें। ताकि वे मुझे और जानकारी दे सकें।

— hkBattousai

Answer 1

सभी सर्किट सही ढंग से संचालित होने पर संभव हैं, लेकिन 2 और 3 कहीं अधिक सामान्य हैं, अच्छी तरह से ड्राइव करना बहुत आसान है और दूर सुरक्षित चीजें गलत नहीं कर रही हैं।

आपको वोल्टेज आधारित उत्तरों का एक सेट देने के बजाय मैं आपको कुछ सामान्य नियम दूंगा जो आपको समझने के बाद बहुत अधिक उपयोगी होंगे।

• MOSFETs में एक सुरक्षित अधिकतम Vgs या Vsg होता है जिसके आगे वे नष्ट हो सकते हैं, यह आमतौर पर दोनों दिशाओं में समान होता है और निर्माण और ऑक्साइड परत की मोटाई के परिणामस्वरूप अधिक होता है।

• जब Vth Vth और Vgsm के बीच MOSFET "चालू" होगा

  • एन चैनल FETs के लिए एक सकारात्मक दिशा में।
  • पी चैनल FETs के लिए नकारात्मक दिशा में।

यह उपरोक्त सर्किट में FET को नियंत्रित करने की समझ में आता है।

एक वोल्टेज Vgsm को अधिकतम वोल्टेज के रूप में परिभाषित करें जो गेट सुरक्षित रूप से स्रोत से अधिक + ve हो सकता है।
परिभाषित करें- Vg सबसे अधिक है कि Vg s के सापेक्ष ऋणात्मक हो सकता है।

वीटी को वोल्टेज के रूप में परिभाषित करें कि एफईटी को चालू करने के लिए एक गेट को wrt स्रोत होना चाहिए। V, N चैनल FET के लिए + ve है और P चैनल FET के लिए नकारात्मक है।

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इसलिए

सर्किट 3
MOSFET Vgs के लिए सुरक्षित है रेंज +/- Vgsm में।
MOSFET Vgs> + Vth के लिए जारी है

सर्किट 2
MOSFET Vgs के लिए सुरक्षित है रेंज +/- Vgsm में।
MOSFET चालू है - Vgs> -Vth (अर्थात गेट Vth के परिमाण द्वारा नाली से अधिक नकारात्मक है।

सर्किट 1 वास्तव में सर्किट 3 के समान है
अर्थात FET के सापेक्ष वोल्टेज समान हैं। जब आप इसके बारे में सोचते हैं तो कोई आश्चर्य नहीं। BUT Vg अब सभी समय पर ~ = 400V होगा।

सर्किट 4 वास्तव में सर्किट 2 के समान ही है
अर्थात FET के सापेक्ष वोल्टेज समान हैं। फिर, कोई आश्चर्य नहीं जब आप इसके बारे में सोचते हैं। BUT Vg अब हर समय 400V रेल के नीचे ~ = 400V होगा।

सर्किट में अंतर एन चैनल FET के लिए Vg wrt ग्राउंड के वोल्टेज और P चैनल PET के लिए +400 V से संबंधित है। एफईटी को पता नहीं है "पूर्ण वोल्टेज" इसके गेट पर है - यह केवल वाल्टेज रिट स्रोत के बारे में "परवाह" करता है।

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संबंधित - उपरोक्त चर्चा के बाद रास्ते में उठेगा:

• MOSFETS '2 क्वाड्रंट' स्विच हैं। यही है, एक एन चैनल स्विच के लिए जहां "4 क्वाड्रंट" में स्रोत के सापेक्ष गेट और ड्रेन की ध्रुवीयता + +, + -, -, - और - + हो सकती है, MOSFET चालू होगा

  • Vds = + ve और Vgs + ve

  या

  • Vds नकारात्मक और Vgs धनात्मक

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2016 की शुरुआत में जोड़ा गया:

प्रश्न: आपने उल्लेख किया है कि सर्किट २ और ३ बहुत सामान्य हैं, ऐसा क्यों है?
स्विच दोनों चतुर्भुजों में काम कर सकते हैं, जो एन चैनल को पी चैनल, उच्च पक्ष को कम पक्ष में चुनने के लिए क्या करता है? -

उ: मूल रूप से मूल उत्तर में इसे कवर किया जाता है यदि आप इसे ध्यान से देखते हैं। परंतु ...

सभी सर्किट केवल 1 चतुर्थांश में काम करते हैं जब पर: 2 चतुर्थांश ऑपरेशन के बारे में आपका प्रश्न उपरोक्त 4 सर्किटों की गलतफहमी को इंगित करता है। मैंने अंत में (ऊपर) 2 चतुर्थांश ऑपरेशन का उल्लेख किया है लेकिन यह सामान्य ऑपरेशन में प्रासंगिक नहीं है। उपरोक्त सभी 4 सर्किट अपने 1 चतुर्थांश में काम कर रहे हैं - अर्थात Vgs polarity = Vds polarity हर समय जब चालू होता है।
2nd क्वाड्रेंट ऑपरेशन संभव है अर्थात
Vgs polarity = - Vds polarity हर समय जब
BUT पर चालू होता है तो आमतौर पर FET में इनबिल्ट "बॉडी डायोड" के कारण जटिलताएं होती हैं - अंत में "बॉडी डायोड" सेक्शन देखें।

सर्किट 2 और 3 में गेट ड्राइव वोल्टेज हमेशा बिजली की आपूर्ति रेल के बीच स्थित होता है, जिससे ड्राइव वोल्टेज को प्राप्त करने के लिए "विशेष" व्यवस्था का उपयोग करना अनावश्यक हो जाता है।

सर्किट 1 में MOSFET चालू करने के लिए पर्याप्त Vgs प्राप्त करने के लिए गेट ड्राइव 400V रेल के ऊपर होना चाहिए।

सर्किट 4 में गेट वोल्टेज जमीन से नीचे होना चाहिए।

ऐसे वोल्टेज को प्राप्त करने के लिए "बूटस्ट्रैप" सर्किट का उपयोग अक्सर किया जाता है जो आमतौर पर अतिरिक्त वोल्टेज देने के लिए डायोड संधारित्र "पंप" का उपयोग करते हैं।

एक सामान्य व्यवस्था एक पुल में 4 x N चैनल का उपयोग करना है।
2 x निम्न पक्ष FETs में सामान्य गेट ड्राइव होता है - 0/12 V कहें, और FET चालू होने पर उच्च पक्ष FETS को आपूर्ति के लिए 212 पक्ष FETS की आवश्यकता (यहाँ) सेव 412V है। यह तकनीकी रूप से कठिन नहीं है, लेकिन ऐसा करने के लिए अधिक है, गलत होने के लिए और डिज़ाइन किया जाना चाहिए। बूटस्ट्रैप आपूर्ति अक्सर पीडब्लूएम स्विचिंग सिग्नल द्वारा संचालित होती है, इसलिए एक कम आवृत्ति होती है जिस पर आपको अभी भी ऊपरी गेट ड्राइव मिलती है। एसी बंद कर दें और बूटस्ट्रैप वोल्टेज लीकेज के तहत क्षय होने लगे। फिर, मुश्किल नहीं, सिर्फ बचने के लिए अच्छा है।

4 x N चैनल का उपयोग करना "अच्छा" है क्योंकि
सभी मिलान किए जाते हैं,
Rdson आमतौर पर P चैनल की तुलना में समान $ कम होता है।
नोट !!!: यदि पैकेज अलग-थलग टैब हैं या इंसुलेटेड माउंटिंग का उपयोग करते हैं, तो सभी एक ही हीटसिंक पर एक साथ जा सकते हैं - लेकिन ध्यान रखें!
इस मामले में

• निचले 2 में है

  • नालों पर 400V स्विच किया और

  • स्रोत जमीनी हैं,

  • गेट 0/12 वी में हैं।

जबकि

• ऊपरी 2 है

  • नालों पर स्थायी 400V और

  • स्रोतों पर 400V स्विच किया और

  • फाटकों पर 400/412 वी।

बॉडी डायोड: आमतौर पर सामना करने वाले सभी FETS में "आंतरिक" या "परजीवी" रिवर्स बायस्ड बॉडी डायोड होता है जो नाली और स्रोत के बीच होता है। सामान्य ऑपरेशन में यह इच्छित ऑपरेशन को प्रभावित नहीं करता है। यदि FET को द्वितीय चतुर्थांश में संचालित किया जाता है (जैसे N चैनल Vds = -ve, Vgs = + ve के लिए) [[पांडित्य: उस 3 को कॉल करें यदि आप :-) पसंद करते हैं]] तो FET चालू होने पर बॉडी डायोड का संचालन करेगा। बंद जब Vds -ve है। ऐसी परिस्थितियां हैं जहां यह उपयोगी और वांछित है लेकिन वे नहीं हैं जो आमतौर पर उदाहरण के लिए पाया जाता है जैसे 4 एफईटी पुल।

* शरीर की डायोड उस सब्सट्रेट के कारण बनती है जिस पर उपकरण की परतें बनती हैं, प्रवाहकीय होती हैं। एक इन्सुलेट सब्सट्रेट (जैसे कि नीलम पर सिलिकॉन) के साथ डिवाइस में यह आंतरिक शरीर डायोड नहीं होता है, लेकिन आमतौर पर बहुत महंगा और विशिष्ट होता है।

Comments

आपने बताया कि सर्किट 2 और 3 बहुत आम हैं, ऐसा क्यों है। स्विच दोनों चतुर्भुजों में काम कर सकते हैं, जो एक को n चैनल पर पी चैनल चुनने में सक्षम बनाता है, उच्च पक्ष को कम पक्ष में?

— सीतारमण

@seetharaman सर्किट 2 और 3 में गेट ड्राइव वोल्टेज हमेशा बिजली की आपूर्ति के बीच स्थित होता है, जिससे ड्राइव वोल्टेज को प्राप्त करने के लिए "विशेष" व्यवस्था का उपयोग करना अनावश्यक हो जाता है। Cct 1 में MOSFET चालू करने के लिए पर्याप्त Vgs प्राप्त करने के लिए गेट ड्राइव 400V रेल के ऊपर होना चाहिए। Cct 4 में गेट वोल्टेज जमीन से नीचे होना चाहिए। | ऐसे वोल्टेज को प्राप्त करने के लिए "बूटस्ट्रैप" सर्किट का उपयोग अक्सर किया जाता है जो आमतौर पर अतिरिक्त वोल्टेज देने के लिए डायोड संधारित्र "पंप" का उपयोग करते हैं। | एक सामान्य व्यवस्था एक पुल में 4 x N चैनल का उपयोग करना है। 2 x कम पक्ष FETs में सामान्य गेट ड्राइव है - 0/12 V, और 2 उच्च पक्ष ....

— रसेल मैकमोहन

.... FETS की आवश्यकता है (यहाँ) से 412V की आपूर्ति करने के लिए + 12V की आपूर्ति उच्च पक्ष FETS को करता है जब FET चालू होता है। यह तकनीकी रूप से कठिन नहीं है, लेकिन ऐसा करने के लिए अधिक है, गलत होने के लिए और डिज़ाइन किया जाना चाहिए। बूटस्ट्रैप आपूर्ति अक्सर पीडब्लूएम स्विचिंग सिग्नल द्वारा संचालित होती है, इसलिए एक कम आवृत्ति होती है जिस पर आपको अभी भी ऊपरी गेट ड्राइव मिलती है। एसी बंद कर दें और रिसाव के तहत बूटस्ट्रैप वोल्टेज क्षय होने लगे। फिर, मुश्किल नहीं, बस से बचने के लिए अच्छा है। | 4 x N चैनल का उपयोग करना "अच्छा" है क्योंकि सभी मिलान किए जाते हैं, Rdson आमतौर पर P चैनल की तुलना में $ $ कम होता है। अगर pkgs अलग-थलग हैं टैब सभी एक साथ हीटसिंक पर जा सकते हैं - CARE !!!

— रसेल मैकमोहन

@seetharaman - (1) जवाब देने के लिए जोड़ देखें। (२) अपने पदों (यहां तक ​​कि टिप्पणियों / प्रश्नों) के सर्वोत्तम उपचार के लिए आपको हमेशा चाहिए: सही ढंग से कैपिटलाइज़ करें (जैसे कि आप नहीं)। | सही विराम चिह्न का उपयोग करें (उदाहरण के लिए "ऐसा क्यों है?" प्रश्न चिह्न की आवश्यकता है। सही वर्तनी के लिए लक्ष्य (मुझे कॉपी न करें :-))। (एह हवेली -> उल्लेखित)। | आप सोच सकते हैं कि मैं "पिकी" हूं। और में हूँ। लेकिन बहुत से लोग इस तरह की चीजों की परवाह करते हैं और आपके उत्तरों को बुरी तरह से पेश करेंगे यदि वे अच्छी तरह से प्रस्तुत नहीं किए जाते हैं। उन वाक्यों का भी लक्ष्य रखें जो "हमेशा नहीं चलते हैं" (हमेशा बुरा न हो)। उदाहरण के लिए "... चतुष्कोण। क्या ..."। आपने जो लिखा वह ठीक था लेकिन यह ....

— रसेल मैकमोहन

.... पाठक को चीजों को थोड़ा और तोड़ने में मदद कर सकता है। पीओआर जैसे "यह देखते हुए कि स्विच दोनों क्वाड्रंट में काम कर सकते हैं, जो बनाता है ..."। | ध्यान दें कि बॉडी डायोड दिशा आमतौर पर 2 और 3 को बेहतर बनाती है - उत्तर जोड़ देखें।

— रसेल मैकमोहन

Answer 2

यह अच्छा प्रश्न है! कुछ बारीकियां हैं जो अन्य उत्तर याद आती हैं, इसलिए मैंने सोचा कि मैं इसमें झंकार करूंगा।

संक्षिप्त उत्तर निम्नलिखित है:

• टोपोलॉजी # 3 (कम साइड एन-चैनल स्विच) सबसे अधिक उपयोग किया जाता है। चूंकि MOSFET स्रोत टर्मिनल जमीन से जुड़ा है, इसलिए इसके लिए गेट ड्राइव सरल है। बंद करने के लिए जमीन से गेट कनेक्ट करें। चालू करने के लिए गेट को 5-10V से ऊपर के वोल्टेज से कनेक्ट करें। अपने MOSFET डेटाशीट को पढ़ें और यह आपको बताएगा कि आपको कौन सा गेट वोल्टेज प्रदान करना है।

आप इस टोपोलॉजी का उपयोग कब नहीं करेंगे? ऐसा करने का एकमात्र प्रमुख कारण यह है कि यदि आपके पास एक भार है जो विद्युत सुरक्षा के लिए या विद्युत चुम्बकीय विकिरण / संवेदनशीलता को कम करने के लिए सर्किट ग्राउंड से बंधा हुआ एक टर्मिनल होना चाहिए। कुछ मोटर्स / पंखे / पंप / हीटर / आदि को ऐसा करना चाहिए , जिस स्थिति में आप उच्च-स्तरीय टोपोलॉजी # 1 # # 2 का उपयोग करने के लिए मजबूर होते हैं।

• एन-चैनल हाई-साइड स्विच (टोपोलॉजी # 1) का तुलनात्मक आकार / कीमत पी-चैनल हाई-साइड स्विच से बेहतर प्रदर्शन है, लेकिन गेट ड्राइव अधिक जटिल है, और एन-चैनल एमओएसएफईटी स्रोत के सापेक्ष होना चाहिए टर्मिनल, जो सर्किट स्विच के रूप में भिन्न होता है, लेकिन विशेष गेट ड्राइव आईसी हैं जो उच्च-साइड एन-चैनल MOSFOSS ड्राइव करने के लिए हैं। उच्च-वोल्टेज या उच्च-शक्ति अनुप्रयोग आमतौर पर इस टोपोलॉजी का उपयोग करते हैं।

• पी-चैनल हाई-साइड स्विच (टोपोलॉजी # 2) का तुलनात्मक आकार / एन-चैनल हाई-साइड स्विच की तुलना में खराब प्रदर्शन है, लेकिन गेट ड्राइव सरल है: गेट को पॉजिटिव रेल से कनेक्ट करें ("+ 400V") ड्राइंग) इसे बंद करने के लिए, और इसे चालू करने के लिए पॉजिटिव रेल के नीचे 5-10 वी से वोल्टेज से कनेक्ट करें। खैर, ज्यादातर सरल। कम आपूर्ति वोल्टेज (5-15V) पर, आप अनिवार्य रूप से MOSFET चालू करने के लिए गेट को जमीन से जोड़ सकते हैं। उच्च वोल्टेज (15-50V) पर, आप अक्सर एक अवरोधक और एक जेनर डायोड के साथ पूर्वाग्रह आपूर्ति बना सकते हैं। 50V से ऊपर, या यदि स्विच को तेजी से स्विच करना है, तो यह अव्यवहारिक हो जाता है और इस टोपोलॉजी का उपयोग अक्सर कम होता है।

• अंतिम टोपोलॉजी # 4 (लो-साइड पी-चैनल स्विच) में सभी दुनिया के सबसे खराब (खराब डिवाइस प्रदर्शन, जटिल गेट ड्राइव सर्किट) हैं और अनिवार्य रूप से कभी भी उपयोग नहीं किया जाता है।

मैंने एक ब्लॉग पोस्ट में अधिक विस्तृत चर्चा लिखी है ।

Answer 3

आप निर्दिष्ट नहीं करते हैं कि नियंत्रण वोल्टेज जमीन के संबंध में है, या यदि यह तैर सकता है।

सर्किट 3 सबसे व्यावहारिक एन-चैनल योजना है। स्रोत जमीन के संबंध में एक निश्चित वोल्टेज पर है, जिसका अर्थ है कि आप इसे नियंत्रित करने के लिए एक निश्चित गेट-स्रोत वोल्टेज प्रदान कर सकते हैं। MOSFET डिवाइस के आधार पर कहीं भी +2.5 से + 12V तक जमीन पर 'ऑन' होगा।

सर्किट 1 मुश्किल है। जब MOSFET बंद होता है, तो स्रोत कुछ हद तक एक अस्थायी नोड होता है (शीर्ष रोकनेवाला के साथ एक अवरोधक विभक्त की कल्पना करें) विशाल कहीं शून्य के करीब बैठा है। जब MOSFET चालू होता है, तो स्रोत संतृप्ति मानने वाले 400V के बहुत करीब होगा। मूविंग सोर्स का मतलब है कि गेट-टू-ग्राउंड कंट्रोल वोल्टेज को MOSFET ऑन रखने के लिए आगे बढ़ना होगा।

सर्किट 1 बेहतर है यदि आप नियंत्रण वोल्टेज को एमओएसएफईटी के स्रोत से संदर्भित करते हैं और जमीन पर नहीं। यह तुच्छ है अगर आप पल्स ट्रांसफार्मर या चार्ज-पंप ड्राइवर के उपयोग की अनुमति देने के लिए पर्याप्त रूप से छोटे समय के साथ PWM सिग्नल के साथ MOSFET को ड्राइव करना चाहते हैं। MOSFET के स्रोत पर नियंत्रण वोल्टेज को ठीक करने का मतलब है कि ड्राइव को प्रभावित किए बिना, MOSFET ऊपर और नीचे तैर सकता है।

सर्किट 2 सर्किट की तरह सीधा है। 3. यदि नियंत्रण वोल्टेज को जमीन पर संदर्भित किया जाता है, तो गेट से जमीन तक 397.5V से 388V तक (गेट से स्रोत तक -2.5 -12V) साबित होता है, जो MOSFET को चालू करेगा। स्रोत निश्चित है (हमेशा + 400 वी पर) इसलिए गेट को नियंत्रित करने का मतलब है कि एक निश्चित वोल्टेज आपको सभी की आवश्यकता है। (जब तक कि आपकी 400V बस नहीं गिर जाती, लेकिन यह एक और मुद्दा है)।

सर्किट 4, सर्किट 2 की तरह, मुश्किल है। जब MOSFET बंद होता है, तो स्रोत 400V के पास बैठता है। जब यह चालू होता है, तो यह शून्य के करीब पहुंच जाएगा। एक चर स्रोत का अर्थ है जमीन के संबंध में एक चर द्वार की आपूर्ति, जो फिर से एक गन्दा प्रस्ताव है।

सामान्य तौर पर, अपने स्रोतों को जहां संभव हो, तय रखें या यदि उन्हें तैरना है, तो उन्हें नियंत्रित करने के लिए फ्लोटिंग आपूर्ति का उपयोग करें।