Перейти к содержанию

Почему N-канальный MOSFET в плюсовом проводе не открывается полностью?

Обновлено Редакция GAW

N-канальный MOSFET открывается напряжением между затвором и истоком. В нижнем ключе исток на земле, и всё просто. В верхнем ключе — сток на плюсе питания, исток на нагрузке — транзистор превращается в истоковый повторитель: исток поднимается, пока напряжение затвор — исток не станет чуть больше порога, и дальше не идёт.

Что получается на нагрузке

Uнагр≈Uзатвора−UGS(I)U_\text{нагр} \approx U_\text{затвора} - U_{GS}(I)

Наш расчёт для IRLZ44 с затвором от вывода 5 В, питанием 12 В и нагрузкой 12 Ом. Порог по даташиту 1–2 В при 250 мкА, а при сотнях миллиампер напряжение затвор — исток больше — возьмём 2,5 В:

СхемаНа нагрузкеТокМощность на транзисторе
Нижний ключ, затвор 5 Впочти 12 В1 Аоколо 0,03 Вт
Верхний ключ, затвор 5 Воколо 2,5 Воколо 0,2 Аоколо 2 Вт

Нагрузка почти не работает, а транзистор в TO-220 без радиатора (62 °C/Вт) греется на сотню с лишним градусов. Это не неисправность, а свойство схемы.

Как сделать верхний ключ

Infineon в AN-978 формулирует требование прямо: затвор должен быть выше истока на 10–15 В, то есть выше самого питания нагрузки. Варианты:

  1. P-канальный MOSFET в плюсе: ему нужно напряжение затвора ниже истока, а его даёт обычный NPN-транзистор или N-канальный MOSFET, подтягивающий затвор к земле. Почему P-канал нельзя закрыть прямо от вывода, объясняет ответ «Почему P-канальный MOSFET не закрывается от Arduino».
  2. Драйвер верхнего ключа с бутстрепным конденсатором — для ШИМ и мостов.
  3. Перенести ключ в минус, если нагрузке не нужна общая земля со схемой.

Помните о пределе затвор — исток: у IRLZ44 он ±10 В. Обе схемы нижнего ключа — в статье «Ключ на MOSFET».

Похожие вопросы

Почему тот же транзистор нормально работает в минусовом проводе?

В нижнем ключе исток соединён с землёй, и напряжение на затворе относительно земли и есть напряжение затвор — исток. Пять вольт с вывода полностью открывают IRLZ44, у которого RDS(on) задано при 5 В.

Сколько вольт нужно на затворе верхнего N-канального ключа?

Питание нагрузки плюс напряжение, при котором в даташите задано RDS(on). Для обычных MOSFET Infineon в AN-978 указывает 10–15 В над истоком, для IRLZ44 достаточно 5 В над истоком — то есть 17 В на затворе при питании 12 В.

Можно ли просто подать на затвор 12 В от того же источника?

Нет: при открытом ключе исток поднимется почти до 12 В, и напряжение затвор — исток опять станет около порога. Нужен источник выше питания нагрузки — бутстрепный конденсатор драйвера, накачка заряда или отдельная обмотка.

Источники

  1. Infineon (International Rectifier). AN-978 RevD: HV Floating MOS-Gate Driver ICs — разд. 1 Gate drive requirements of high-side devices: для полного открытия затвор должен быть на 10–15 В выше истока, то есть выше напряжения шины питания — часто самого высокого в системе; сигнал управления нужно сдвинуть к истоку верхнего ключа; разд. 3 — бутстрепные диод и конденсатор
  2. Vishay. IRLZ44 Power MOSFET (Document Number 91328, S21-1045-Rev. D, 25-Oct-2021) — VGS(th) 1,0–2,0 В; RDS(on) не больше 0,028 Ом при VGS = 5 В и 0,039 Ом при 4 В; предельное VGS ±10 В; RthJA 62 °C/Вт
  3. Texas Instruments. SLUA618A: Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits, L. Balogh (revised October 2018) — разд. 5 High-Side Non-Isolated Gate Drives — способы управления верхним ключом: P-канальный транзистор, бутстрепное питание драйвера

Нашли ошибку?

Смотрите также