MOSFETを使用したスイッチングDC：pチャネルまたはnチャネル。ローサイドロードまたはハイサイドロード？

MOSFETトランジスタの動作原理を理解する時が来たと思います...

仮定;

• MOSFETトランジスタによって抵抗性負荷の電圧を切り替えたい。
• -500V〜+ 500Vの制御信号は簡単に生成できます。
• 写真のトランジスタモデルは重要ではありません。他の適切なモデルでも同様です。

質問＃1
どの運転技術が実行可能ですか？つまり、これら4つの回路のうち、正しく適用された制御信号で機能するのはどれですか？

質問＃2
抵抗をロードおよびアンロードする制御信号（CS1、CS2、CS3、CS4）の電圧レベルの範囲は？（オン状態とオフ状態の正確な境界は個別に計算する必要があることを理解しています。しかし、動作原理を理解するためのおおよその値を求めています。「回路（2） 397Vを超えるとオフになります。 "。）

すべての回路は正しく駆動されると実現可能になりますが、2と3ははるかに一般的であり、適切に駆動するのがはるかに簡単で、間違ったことをしない限り安全です。

電圧ベースの回答を提供するのではなく、一般的なルールを説明します。これらのルールを理解したら、はるかに役立ちます。

• MOSFETには安全な最大VgsまたはVsgがあり、それを超えると破壊される可能性があります。これは通常、どちらの方向でもほぼ同じであり、構造と酸化物層の厚さの結果です。

• VgがVthとVgsmの間にある場合、MOSFETは「オン」になります

  • NチャネルFETの正の方向。
  • PチャネルFETの場合は負の方向。

これは、上記の回路のFETを制御する意味があります。

電圧Vgsmは、ゲートが安全にソースよりも+ veになる可能性がある最大電圧として定義します。
-Vgsmを、Vgがsに対して負になる可能性が最も高いものとして定義します。

Vthは、FETをオンにするためにゲートがソースにならなければならない電圧として定義します。Vチャネルは、NチャネルFETでは+ ve、PチャネルFETでは負です。

そう

回路3
MOSFETは、+ /-Vgsmの範囲のVgsに対して安全です。
MOSFETはVgs> + Vthでオン

回路2
MOSFETは、+ /-Vgsmの範囲のVgsに対して安全です。
-Vgs> -Vthの間、MOSFETがオンになります（つまり、ゲートはドレインよりVthだけ負になります）。

回路1 回路3とまったく同じ、
つまりFETに対する電圧は同一です。あなたがそれについて考えるとき、驚きはありません。ただし、Vgはすべてのタイミングで〜= 400Vになります。

回路4 回路2
とまったく同じです。つまり、FETに対する電圧は同じです。繰り返しますが、考えてみても驚くことではありません。ただし、Vgは常に400Vレールよりも〜= 400V低くなります。

すなわち、回路の違いは、NチャネルFETの場合はVg wrtグラウンドの電圧に関連し、PチャネルFETの場合は+ 400Vに関連します。FETは、ゲートの絶対電圧を「認識」せず、ソースに対する電圧のみを「考慮」します。

関連-上記の議論の後、道に沿って発生します：

• MOSFETは「2象限」スイッチです。つまり、「4象限」のソースに対するゲートとドレインの極性が+ +、+-、--、および-+になるNチャネルスイッチの場合、MOSFETは次のようにオンになります。

  • Vds = + veおよびVgs + ve

  または

  • Vdsが負、Vgsが正

2016年初めに追加：

Q：回路2と3は非常に一般的であるとおっしゃいましたが、それはなぜですか？
スイッチは両方の象限で動作できますが、PチャネルからNチャネル、ハイサイドからローサイドを選択する理由は何ですか？–

A：慎重に検討すれば、これは元の回答で大部分がカバーされます。しかし...

オンの場合、すべての回路は第1象限でのみ動作します。2象限動作に関する質問は、上記の4つの回路の誤解を示しています。最後に2つの象限操作（上記）を説明しましたが、通常の操作には関係ありません。上記の4つの回路はすべて、第1象限で動作しています。つまり、オンのときは常にVgs極性= Vds極性です。
2番目の象限動作が可能です。つまり、
Vgs極性=-Vdsをオンにすると常にVds極性になりますが、
これは通常、FETに組み込まれた「ボディダイオード」による複雑さを引き起こします。

回路2と3では、ゲート駆動電圧は常に電源レールの間にあるため、「特別な」配置を使用して駆動電圧を導出する必要はありません。

回路1では、MOSFETをオンにするのに十分なVgsを得るために、ゲート駆動が400Vレールを超えている必要があります。

回路4では、ゲート電圧はグランドより低くなければなりません。

このような電圧を達成するために、通常はダイオードコンデンサ「ポンプ」を使用して余分な電圧を与える「ブートストラップ」回路がよく使用されます。

一般的な配置は、ブリッジで4 x Nチャネルを使用することです。
2 xローサイドFETには通常のゲート駆動があります-たとえば0/12 V、2つのハイサイドFETには、FETがオンのときにハイサイドFETに+ 12Vを供給するために（ここでは）sav 412Vが必要です。これは技術的に難しいことではありませんが、やるべきこと、間違った方向に進むこと、そして設計する必要があります。ブートストラップ電源は、多くの場合、PWMスイッチング信号によって駆動されるため、依然として低いゲート周波数が得られます。ACをオフにすると、漏れがあるとブートストラップ電圧が減衰し始めます。繰り返しますが、難しくはありませんが、避けるのは良いことです。

4 x Nチャンネルを使用
すると、すべてが一致するため「いい」です
。Rdsonは通常、同じ$でPチャンネルよりも低くなります。
注!!!：パッケージが絶縁タブである場合、または絶縁取り付けを使用する場合は、すべて同じヒートシンクで一緒に使用できます-ただし、十分に注意してください!!!
この場合

• 下の2つは

  • ドレインで400Vを切り替え、

  • ソースは接地されています

  • ゲートは0 / 12Vにあります。

しながら

• 上の2つは

  • ドレインの永久的な400Vおよび

  • ソースの400Vを切り替え、

  • ゲートの400/412V。

ボディダイオード：通常遭遇するすべてのFET *には、ドレインとソースの間に「固有」または「寄生」の逆バイアスボディダイオードがあります。通常の操作では、これは意図した操作に影響しません。FETが第2象限で動作している場合（たとえば、NチャネルVds = -ve、Vgs = + ve）[[pedantry：必要に応じて3rdを呼び出し:-)]]、FETがオンになったときにボディダイオードが導通しますVdsが-veの場合はオフ。これが有用で望ましい状況もありますが、4 FETブリッジなどで一般的に見られるものではありません。

*ボディダイオードは、デバイス層が形成される基板が導電性であるために形成されます。絶縁基板を備えたデバイス（Saphire上のシリコンなど）には、この固有のボディダイオードはありませんが、通常は非常に高価で特殊です。

これはいい質問です！他の答えが見落としていたニュアンスがいくつかあるので、私は中に入れると思った。

短い答えは次のとおりです。

• トポロジ＃3（ローサイドNチャネルスイッチ）が最も一般的に使用されています。MOSFETのソース端子はグランドに接続されているため、このためのゲート駆動は簡単です。ゲートをグランドに接続してオフにします。ゲートをグランドより5〜10V高い電圧に接続してオンにします。MOSFETデータシートを読むと、提供する必要のあるゲート電圧がわかります。

このトポロジを使用しないのはいつですか？これを行う唯一の主な理由は、電気的安全のため、または電磁放射/感受性を最小限に抑えるために、1つの端子を回路グランドに接続する必要がある負荷がある場合です。一部のモーター/ファン/ポンプ/ヒーターなどはこれを行う必要があります。その場合、ハイサイドトポロジ＃1または＃2を使用する必要があります。

• Nチャネルハイサイドスイッチ（トポロジ＃1）は、同等のサイズ/価格のPチャネルハイサイドスイッチよりも優れたパフォーマンスを発揮しますが、ゲート駆動はより複雑であり、NチャネルMOSFETソースに関連する必要がありますこの端子は、回路が切り替わると変化しますが、ハイサイドNチャネルMOSFETを駆動するための専用のゲート駆動ICがあります。高電圧または高電力のアプリケーションでは、通常このトポロジを使用します。

• Pチャネルハイサイドスイッチ（トポロジ＃2）は、同等のサイズ/価格のNチャネルハイサイドスイッチよりもパフォーマンスが低下しますが、ゲート駆動は単純です。ゲートを正のレール（「+ 400V」図面）をオフにし、正のレールより5-10V低い電圧にゲートを接続してオンにします。まあ、ほとんどが簡単です。低電源電圧（5〜15V）では、基本的にゲートをグランドに接続するだけでMOSFETをオンにできます。より高い電圧（15〜50V）では、多くの場合、抵抗とツェナーダイオードでバイアス電源を作成できます。50Vを超える場合、またはスイッチを高速でオンにする必要がある場合、これは非実用的になり、このトポロジはあまり使用されません。

• 最後のトポロジ＃4（ローサイドPチャネルスイッチ）は、すべての世界で最悪（デバイスの性能が悪い、複雑なゲート駆動回路）であり、基本的には使用されません。

ブログポストでより詳細な議論を書きました。

制御電圧がグランドを基準にしているのか、浮動できるのかを指定しません。

回路3は最も実用的なNチャネル方式です。ソースはグランドに対して固定電圧にあるため、固定ゲート-ソース電圧を供給して制御できます。MOSFETは、デバイスに応じて、グランドの+2.5〜+ 12Vの範囲で「オン」になります。

回路1は注意が必要です。MOSFETがオフのとき、ソースはゼロに近い場所にある浮動ノード（上部抵抗が巨大な抵抗分割器を想像してください）です。MOSFETがオンのとき、ソースは飽和を想定して400Vに非常に近くなります。ソースの移動とは、MOSFETをオンに維持するために、ゲートからグランドへの制御電圧も移動する必要があることを意味します。

制御電圧をグランドではなくMOSFETのソースを基準とする場合、回路1の方が優れています。オン時間の短いPWM信号でMOSFETを駆動し、パルストランスまたはチャージポンプドライバを使用する場合、これは簡単です。制御電圧をMOSFETのソースに固定すると、MOSFETはドライブに影響を与えることなく、必要に応じて上下にフロートできます。

回路2は回路3と同じように単純です。制御電圧がグランドを基準にしている場合、ゲートからグランドまでの397.5V〜388V（ゲートからソースまでの-2.5〜-12V）がMOSFETをオンにします。ソースは固定（常に+ 400V）であるため、ゲートを制御することで、固定電圧で十分です。（400Vバスが崩壊しない限り、それは別の問題です）。

回路2は、回路2と同様に注意が必要です。MOSFETがオフのとき、ソースは400V近くにあります。オンになっていると、ほぼゼロになります。可変ソースとは、グランドに対する可変ゲート電源を意味し、これも厄介な命題です。

一般に、可能な限りソースを固定するか、フロートする必要がある場合は、フロート電源を使用してソースを制御します。