使用MOSFET切换直流：p通道或n通道；低侧负载还是高侧负载？

我想是时候我了解MOSFET晶体管的工作原理了...

假设

• 我想通过MOSFET晶体管切换电阻负载上的电压。
• -500V至+ 500V之间的任何控制信号都可以轻松生成。
• 图片中的晶体管模型并不重要，它们也可以是任何其他合适的模型。

问题＃1
哪些驾驶技术可行？我的意思是，这四个电路中的哪个电路可以正确应用控制信号？

问题＃2
加载和卸载电阻器的控制信号（CS1，CS2，CS3，CS4）的电压电平范围是多少？（我知道必须分别计算开和关状态的确切边界。但是，我要求提供近似值以了解其工作原理。请提供诸如“ 在电路（2）中，当CS2低于397V时晶体管导通的语句）。并在高于397V时关闭。 ”。

正确驱动后，所有电路都是可行的，但是2和3更为常见，易于驱动，而且在做错事情时也更加安全。

除了给您一组基于电压的答案外，我将为您提供一些通用规则，一旦您理解它们，它们将更加有用。

• MOSFET具有安全的最大Vgs或Vsg，超过该值它们可能会被破坏。这通常在任一方向上大约相同，并且更多是结构和氧化物层厚度的结果。

• 当Vg在Vth和Vgsm之间时，MOSFET将“导通”

  • 在N沟道FET的正方向上。
  • P沟道FET的负极方向。

这对控制上述电路中的FET有意义。

将电压Vgsm定义为最大电压，该最大电压可能会使栅极安全地超过+ ve。
将-Vgsm定义为Vg相对于s可能为负的最大值。

将Vth定义为栅极必须作为源才可以导通FET的电压。对于N沟道FET，Vth为+ ve；对于P沟道FET，Vth为负。

所以

电路3
MOSFET对于+/- Vgsm范围内的Vgs是安全的。
当Vgs> + Vth时MOSFET导通

电路2
MOSFET对于+/- Vgsm范围内的Vgs是安全的。
当-Vgs> -Vth时，MOSFET导通（即，栅极比漏极更负Vth的幅度）。

电路1 与电路3完全相同，
即相对于FET的电压相同。考虑一下就不足为奇了。现在，所有时间的Vg均为〜= 400V。

电路4 与电路2完全相同，
即相对于FET的电压相同。同样，考虑到这一点也就不足为奇了。现在，BUT Vg始终低于400V电源轨〜= 400V。

也就是说，电路的差异与N沟道FET的接地电压Vg和P沟道FET的+ 400V有关。FET不“知道”其栅极处于的绝对电压-它仅“关心”源电压。

相关-将在上述讨论之后逐步出现：

• MOSFET是“ 2象限”开关。也就是说，对于N沟道开关，其中“ 4个象限”中栅极和漏极相对于源极的极性可以为+ +，+-，--和-+，则MOSFET将以

  • Vds = + ve和Vgs + ve

  要么

  • Vds负极和Vgs正极

在2016年初添加：

问：您提到电路2和3很常见，为什么？
开关可以在两个象限中工作，是什么使人们选择P通道到N通道，从高端到低端呢？–

答：如果您仔细地进行检查，则原始答案中将大部分涵盖此内容。但是...

接通时，所有电路仅在第一象限中工作：您对2象限工作的疑问表明对上述4个电路有误解。我在最后（上面）提到了2象限操作，但与正常操作无关。以上所有4个电路均在其第一象限中工作-即在接通时始终处于Vgs极性= Vds极性。
可以进行第二象限操作，即
Vgs极性=-Vds极性始终处于打开状态，
但由于FET中内置的“体二极管”，这通常会导致复杂情况-参见最后的“体二极管”部分。

在电路2和3中，栅极驱动电压始终位于电源轨之间，从而无需使用“特殊”布置来得出驱动电压。

在电路1中，栅极驱动器必须高于400V轨，以获得足够的Vgs来导通MOSFET。

在电路4中，栅极电压必须低于地面。

为了获得这样的电压，通常使用“自举”电路，该电路通常使用二极管电容器“泵”来提供额外的电压。

常见的安排是在​​网桥中使用4 x N通道。
2 x低端FET具有通常的栅极驱动-假设为0/12 V，并且2个高端FETS（在这里）需要sav 412V，以便在FET导通时向高端FETS提供+ 12V。这在技术上并不难，但是要做的更多，要做的更多，必须进行设计。自举电源通常由PWM开关信号驱动，因此存在较低的频率，在该频率下仍可获得较高的栅极驱动。关闭交流电源，自举电压在泄漏下开始衰减。同样，不难，只是要避免。

使用4 x N通道是“不错的”，因为
所有通道都匹配，
相同$的Rdson通常低于P通道。
注意!!!：如果包装是隔离的或使用绝缘安装，则所有包装都可以放在同一散热器上-但请务必注意！！！
在这种情况下

• 下2个有

  • 在漏极上切换了400V

  • 信号源已接地

  • 栅极电压为0 / 12V。

而

• 上2有

  • 漏极永久性400V

  • 在电源上切换了400V

  • 栅极上为400/412V。

体二极管：通常遇到的所有FETS *在漏极和源极之间都有一个“本征”或“寄生”反向偏置的体二极管。在正常操作中，这不会影响预期的操作。如果FET在第二象限中工作（例如，对于N通道Vds = -ve，Vgs = + ve）[[pedantry：如果喜欢，请叫第3步：]），则当FET接通时，体二极管将导通当Vds为-ve时关闭。在某些情况下，这是有用和期望的，但在4个FET桥中却不常见。

*由于形成器件层的基板是导电的，因此形成了体二极管。具有绝缘基板的设备（例如Saphire上的硅）不具有该本征二极管，但通常非常昂贵且专门化。

这是一个很好的问题！其他答案遗漏了一些细微差别，所以我认为自己会很喜欢。

简短的答案如下：

• 拓扑＃3（低端N通道开关）是最常用的。由于MOSFET的源极端子接地，因此栅极驱动很简单。将栅极接地，以将其关闭。将栅极连接到高于地面5-10V的电压以导通。阅读您的MOSFET数据表，它将告诉您需要提供的栅极电压。

您什么时候不使用这种拓扑？这样做的唯一主要原因是，如果您的负载需要将一个端子连接到电路接地，以确保电气安全或将电磁辐射/磁化率降至最低。某些电动机/风扇/泵/加热器/等必须执行此操作，在这种情况下，您将不得不使用高端拓扑＃1或＃2。

• N沟道高端开关（拓扑结构＃1）的性能要比同等大小/价格合理的P沟道高端开关更好，但栅极驱动更为复杂，并且必须相对于N沟道MOSFET源极端子，其随电路开关而变化，但是有专门的栅极驱动IC，用于驱动高端N沟道MOSFET。高压或大功率应用通常使用此拓扑。

• P通道高端开关（拓扑2）的性能要比同等大小/价格的N通道高端开关差，但栅极驱动很简单：将栅极连接到正极（在您的系统中为“ + 400V”图）将其关闭，然后将栅极连接到正轨以下5-10V的电压以将其打开。好吧，基本上很简单。在低电源电压（5-15V）下，您基本上可以将栅极接地，以打开MOSFET。在较高的电压（15-50V）下，通常可以使用一个电阻器和一个齐纳二极管来创建偏置电源。高于50V，或者如果开关必须快速导通，这将变得不切实际，并且这种拓扑不那么常用。

• 最后的拓扑＃4（低端P通道开关）在所有领域中都表现最差（器件性能更差，栅极驱动电路复杂），并且基本上从未使用过。

我已经在博客文章中进行了更详细的讨论。

您未指定控制电压是否相对于地面，或者是否可以浮动。

电路3是最实用的N通道方案。源极相对于地面处于固定电压，这意味着您可以提供固定的栅极-源极电压来对其进行控制。取决于器件，MOSFET会在高于地面+2.5至+ 12V的任何地方“导通”。

电路1很棘手。当MOSFET关断时，其源极有些是悬空节点（想象一个电阻分压器，顶部电阻很大）位于接近零的位置。MOSFET导通时，假设饱和，源极将非常接近400V。移动电源意味着栅极至地的控制电压也必须移动以保持MOSFET导通。

如果将控制电压参考MOSFET的源极而非接地，则电路1更好。如果您打算以足够短的导通时间以PWM信号驱动MOSFET，以允许使用脉冲变压器或电荷泵驱动器，那么这是微不足道的。将控制电压固定到MOSFET的源极意味着MOSFET可以根据需要上下浮动，而不会影响驱动器。

电路2就像电路3一样简单。如果控制电压参考地，那么从栅极到地的397.5V至388V电压（从栅极到源极的-2.5至-12V）供电将使MOSFET导通。电源是固定的（始终为+ 400V），因此控制栅极意味着您只需要一个固定的电压即可。（除非您的400V总线崩溃，但这是另一个问题）。

像电路2一样，电路4很棘手。MOSFET关闭时，源极位于400V附近。当它打开时，它将下降到接近零。可变源意味着相对于地面的可变栅极电源，这又是一个混乱的主张。

通常，在可能的情况下使源保持固定，或者如果必须浮动它们，请使用浮动电源对其进行控制。