P-Channel MOSFET u H-Bridge aplikacijama

Implementacija MOSFET-ova s ​​P-kanalom u krug H-mosta može izgledati lako i primamljivo, međutim može zahtijevati neke stroge izračune i parametre za postizanje optimalnog odziva.

MOSFET-ovi s P-kanalom obično su implementirani za uključivanje / isključivanje opterećenja. Jednostavnost upotrebe opcija P-kanala na visokoj strani omogućuje im da budu vrlo prikladni za aplikacije poput niskonaponskih pogona (mreže H-Bridgea) i neizolirane točke opterećenja (Buck pretvarači) i za programe u kojima prostor je kritično ograničenje.

Ključna prednost MOSFET-a s P-kanalom je ekonomična strategija upravljanja vratima oko položaja visokog bočnog prekidača i općenito pomaže da sustav postane vrlo isplativ.

U ovom članku istražujemo upotrebu P-kanalnih MOSFET-ova kao visokog bočnog prekidača za aplikacije H-Bridgea

P-kanal nasuprot N-kanalu za i protiv

Kada koristi se u aplikaciji visokog bočnog prekidača slučajno je da je napon izvora N-kanalnog MOSFET-a s povećanim potencijalom s obzirom na masu.

Prema tome, ovdje za rad N-kanalnog MOSFET-a potreban je neovisni pogonitelj vrata, kao što je krug za podizanje sustava ili uređaj koji uključuje stupanj impulsnog transformatora.

Ovi pokretači zahtijevaju zaseban izvor napajanja, dok opterećenje transformatora povremeno može proći kroz nekompatibilne okolnosti.

S druge strane, ovo možda nije situacija s MOSFET-om s P-kanalom. Možete jednostavno voziti P-kanalni prekidač s bočne strane pomoću uobičajenog kruga mjenjača razine (izmjenjivač napona). Postizanjem toga pojednostavljuje se krug i učinkovito smanjuju svestrani troškovi.

Kad smo to već rekli, poanta koju ovdje treba uzeti u obzir je da će možda biti izuzetno teško postići identični R_{DS (uključeno)}učinkovitost za P-kanalni MOSFET za razliku od N-kanala koji koristi sličnu dimenziju čipa.

Zbog činjenice da je protok nosača u N-kanalu otprilike 2 do 3 puta veći od protoka P-kanala, za potpuno isti R_{DS (uključeno)}opseg P-kanalni uređaj mora biti 2 do 3 puta veći od svog N-kanalnog kolege.

Veća veličina paketa uzrokuje smanjenje toplinske tolerancije P-kanalnog uređaja i također povećava njegove trenutne specifikacije. To također proporcionalno utječe na njegovu dinamičku učinkovitost zbog povećane veličine kućišta.

Stoga, u aplikaciji niske frekvencije u kojoj su gubici provodljivosti veliki, MOSFET P-kanala mora imati R_{DS (uključeno)}što odgovara onom N-kanala. U takvoj situaciji, unutarnje područje MOSFET-a P-kanala bit će veće od područja N-kanala.

Nadalje, u visokofrekventnim aplikacijama u kojima su komutacijski gubici obično visoki, MOSFET s P-kanalom trebao bi imati vrijednost naboja na ulazu usporediv s N-kanalom.

U slučajevima poput ovog, veličina MOSFET-a s P-kanalom može biti jednaka N-kanalu, ali sa smanjenom specifikacijom struje u usporedbi s alternativom N-kanala.

Stoga treba oprezno odabrati MOSFET za P-kanal uzimajući u obzir odgovarajući R_{DS (uključeno)}i specifikacije punjenja vrata.

Kako odabrati P-kanalni MOSFET za aplikaciju

Brojni su preklopni programi u kojima se P-kanalni MOSFET može učinkovito primijeniti, na primjer niskonaponski pogoni i neizolirane točke opterećenja.

U ovim vrstama aplikacija ključne su smjernice koje upravljaju izborom MOSFET-a obično otpor UKLJ. Uređaja (R_{DS (uključeno)}) i Gate Charge (Q_G). Bilo koja od ovih varijabli ima veću važnost na temelju frekvencije prebacivanja u aplikaciji.

Za primjenu u konfiguraciji niskonaponskih pogonskih mreža poput punog mosta ili B6 mosta (3-fazni most) obično se koriste N-kanalni MOSFET-ovi s motorom (opterećenje) i istosmjernim napajanjem.

Faktor kompromisa za pozitivne aspekte koje predstavljaju uređaji s N-kanalima je veća složenost u dizajnu upravljačkog programa vrata.

Pogonitelj vrata N-kanalne bočne sklopke zahtijeva a bootstrap krug koji stvara napon na vratima veći od naponske ograde motora ili naizmjenično neovisno napajanje za njegovo uključivanje. Povećana složenost dizajna općenito dovodi do većih radova na dizajnu i veće površine montaže.

Na donjoj slici prikazana je razlika između sklopa dizajniranog pomoću komplementarnih MOSFET-ova P i N kanala i kruga samo s 4 N-kanalnih MOSFET-ova.

Upotreba samo 4 N-kanalnih MOSFET-ova

U ovom rasporedu, ako je prekidač s bočne strane izrađen s P-kanalnim MOSFET-om, dizajn vozača izuzetno pojednostavljuje raspored, kao što je prikazano dolje:

Korištenje MOSFET-ova s ​​P i N-kanalima

Potreba za čizmom pumpa za punjenje eliminira se zbog prebacivanja prekidača visoke strane. Ovdje se to jednostavno može pokretati izravno ulaznim signalom i kroz mjenjač razine (pretvarač od 3 V u 5 V ili stupanj pretvarača od 5 V u 12 V).

Odabir P-kanalnih MOSFET-ova za prebacivanje aplikacija

Tipično niskonaponski pogonski sustavi rade s preklopnim frekvencijama u rasponu od 10 do 50 kHz.

U tim se opsezima gotovo sve raspršivanje snage MOSFET-a događa putem gubitaka provodljivosti zbog visokih strujnih specifikacija motora.

Stoga je u takvim mrežama P-kanalni MOSFET s odgovarajućim R_{DS (uključeno)}treba odabrati za postizanje optimalne učinkovitosti.

To bi se moglo razumjeti razmatranjem ilustracije niskonaponskog pogona od 30 W koji radi s 12V baterijom.

Za MOSFET s visokim bočnim kanalom možda imamo nekoliko mogućnosti u ruci - jedna da ima ekvivalent R_{DS (uključeno)}usporediv s donjim bočnim N-kanalom, a drugi s usporedivim punjenjem vrata.

Sljedeća tablica u nastavku prikazuje komponente primjenjive za niskonaponski pogon punog mosta koji ima usporediv R_{DS (uključeno)}i s identičnim nabojima na vratima kao kod N-kanalnog MOSFET-a na donjoj strani.

Gornja tablica koja prikazuje gubitke MOSFET-a u određenoj aplikaciji otkriva da su ukupni gubici snage upravljani gubicima provodljivosti što je dokazano u sljedećem tortnom grafikonu.

Uz to, izgleda da ako se preferira MOSFET s P-kanalom koji ima usporedive naboje na vratima s onim u N-kanalu, gubici pri prebacivanju bit će identični, ali gubici provodljivosti vjerojatno mogu biti pretjerano visoki.

Stoga bi za primjene niskih prekidača s nižim frekvencijama MOSFET visokog bočnog kanala trebao nužno imati usporedivi R _{DS (uključeno)} poput onog donjeg bočnog N-kanala.

Neizolirana točka tereta (POL)

Neizolirana točka opterećenja je topologija pretvarača, kao u donjim pretvaračima, gdje izlaz nije izoliran od ulaza, za razliku od flyback dizajni gdje su ulazni i izlazni stupanj potpuno izolirani.

Za takve izolirane točke opterećenja male snage s izlaznom snagom manjom od 10 W, predstavlja jednu od najvećih poteškoća u dizajnu. Dimenzioniranje mora biti minimum, uz očuvanje zadovoljavajućeg stupnja učinkovitosti.

Jedan od popularnih načina smanjenja veličine pretvarača je upotreba N-kanalnog MOSFET-a kao pokretača visoke strane i povećanje radne frekvencije na znatno višu razinu. Brže prebacivanje omogućuje upotrebu znatno smanjene veličine induktora.

Schottky diode se često primjenjuju za sinkrono ispravljanje u ovim vrstama krugova, no MOSFET-ovi su nesumnjivo bolja opcija jer je pad napona za MOSFET-ove obično znatno niži od diode.

Drugi pristup uštede prostora bio bi zamjena MOSFET-a s visokog boka s P-kanalom.

Metoda P-kanala rješava se složenih dodatnih sklopova za pogon vrata, što postaje neophodno za N-kanalni MOSFET s gornje strane.

Dijagram u nastavku prikazuje temeljni dizajn pretvarača s donjim dijelom koji ima P-kanalni MOSFET implementiran na visokoj strani.

Uobičajeno će frekvencije prebacivanja u neizoliranim aplikacijama točke opterećenja vjerojatno biti blizu 500 kHz, ili čak ponekad i do 2 MHz.

Suprotno ranijim konceptima dizajna, ispada da su glavni gubici na takvim frekvencijama preklopni gubici.

Sljedeća slika pokazuje gubitak od MOSFET-a u 3-vatnoj neizoliranoj aplikaciji Point of Load koja radi na komutacijskoj frekvenciji od 1 MHz.

Stoga pokazuje razinu napunjenosti vrata koja se mora navesti za P-kanal kada je odabran za visoku bočnu aplikaciju, s obzirom na N-kanalni uređaj s bočne strane.

Zaključak

Primjena MOSFET-a s P-kanalom nesumnjivo daje dizajnerima prednosti u pogledu manje komplicirane, pouzdanije i poboljšane konfiguracije.

To je rekao za datu prijavu, kompromis između R_{DS (uključeno)}i Q_Gtreba ozbiljno procijeniti prilikom odabira MOSFET-a s P-kanalom. Time se osigurava da p-kanal može ponuditi optimalne performanse baš kao i njegova inačica s n-kanalom.

Ljubaznost: Infineon