MOSFET P-Channel în aplicații H-Bridge

Implementarea MOSFET-urilor cu canal P într-un circuit H-bridge poate părea ușoară și atrăgătoare, cu toate acestea poate necesita unele calcule și parametri stricți pentru a obține un răspuns optim.

MOSFET-urile cu canal P sunt de obicei implementate pentru comutarea ON / OFF. Ușurința de utilizare a opțiunilor canalului P pe partea înaltă le permite să fie foarte convenabile pentru aplicații precum unități de joasă tensiune (rețele H-Bridge) și puncte de încărcare neizolate (convertoare Buck) și în aplicații în care spațiul este o limitare critică.

Avantajul cheie al unui MOSFET cu canal P este strategia economică de conducere a porții în jurul poziției de comutare laterală înaltă și, în general, ajută la eficientizarea costului sistemului.

În acest articol explorăm utilizarea MOSFET-urilor cu canal P ca comutator lateral înalt pentru aplicațiile H-Bridge

Canal P față de N și canal Pro și Contra

Când utilizat într-o aplicație cu comutator lateral înalt tensiunea sursă a unui MOSFET cu canal N se întâmplă să aibă un potențial crescut în ceea ce privește solul.

Prin urmare, aici, operarea unui MOSFET cu canal N necesită un driver de poartă independent, cum ar fi un circuit de bootstrapping, sau un aranjament care implică o etapă a transformatorului de impuls.

Acești șoferi necesită o sursă de alimentare separată, în timp ce încărcarea transformatorului poate trece uneori prin circumstanțe incompatibile.

Pe de altă parte, este posibil să nu fie situația cu un MOSFET cu canal P. Puteți conduce cu ușurință un comutator lateral înalt cu canal P utilizând un circuit normal de schimbare a nivelului (schimbător de nivel de tensiune). Realizarea acestui lucru eficientizează circuitul și reduce efectiv costurile globale.

Acestea fiind spuse, ideea care trebuie luată în considerare aici este că poate fi extrem de greu să obții R identic_{DS (activat)}eficiență pentru un MOSFET cu canal P în contrast cu un canal N care utilizează dimensiunea cipului similară.

Datorită faptului că fluxul purtătorilor într-un canal N este de aproximativ 2 până la 3 ori mai mare decât cel al unui canal P, pentru exact același R_{DS (activat)}intervalul dispozitivului cu canal P trebuie să aibă o dimensiune de 2 până la 3 ori mai mare decât omologul său cu canal N.

Dimensiunea mai mare a pachetului determină scăderea toleranței termice a dispozitivului cu canal P și crește și specificațiile sale actuale. Acest lucru afectează, de asemenea, eficacitatea sa dinamică în mod proporțional, datorită dimensiunii crescute a carcasei.

Prin urmare, într-o aplicație cu frecvență joasă în care pierderile de conducere tind să fie mari, un MOSFET cu canal P trebuie să aibă un R_{DS (activat)}corespunzător cu cel al unui canal N. Într-o astfel de situație, regiunea internă MOSFET a canalului P trebuie să fie mai mare decât cea a canalului N.

Mai mult, în aplicațiile de înaltă frecvență în care pierderile de comutare sunt de obicei mari, un MOSFET cu canal P ar trebui să posede o valoare a încărcăturilor de poartă comparabilă cu un canal N.

În astfel de cazuri, o dimensiune MOSFET a canalului P ar putea fi egală cu canalul N, dar cu o specificație de curent redusă comparativ cu o alternativă a canalului N.

Prin urmare, un MOSFET ideal pentru canalul P trebuie ales cu precauție, luând în considerare R-ul adecvat_{DS (activat)}și specificațiile de încărcare a porții.

Cum se selectează un MOSFET cu canal P pentru o aplicație

Există numeroase aplicații de comutare în care un MOSFET cu canal P poate fi aplicat în mod eficient, de exemplu unități de joasă tensiune și punct de încărcare neizolat.

În aceste tipuri de aplicații, liniile directoare esențiale care guvernează alegerea MOSFET sunt de obicei rezistența la pornirea dispozitivului (R_{DS (activat)}) și taxa de poartă (Q_G). Oricare dintre aceste variabile are o importanță mai mare pe baza frecvenței de comutare din aplicație.

Pentru aplicarea în rețelele de acționare de joasă tensiune, cum ar fi configurația full-bridge sau B6-bridge (pod trifazat), MOSFET-urile cu canal N sunt frecvent utilizate cu motor (Sarcină) și alimentare DC.

Factorul compromițător pentru aspectele pozitive prezentate de dispozitivele cu canal N este complexitatea mai mare în proiectarea driverului de poartă.

Un driver de poartă al unui comutator lateral înalt cu canal N necesită o circuit bootstrap care creează o tensiune a porții mai mare decât șina de alimentare a tensiunii motorului sau alternativ o sursă de alimentare independentă pentru ao porni. Creșterea complexității proiectării duce, în general, la o muncă mai mare de proiectare și la o suprafață mai mare de asamblare.

Figura de mai jos demonstrează diferența dintre circuitul proiectat folosind MOSFET-uri complementare cu canal P și N și circuitul numai cu 4 MOSFET-uri cu canal N.

Folosind doar 4 MOSFET-uri cu canal N

În acest aranjament, dacă comutatorul lateral înalt este construit cu un MOSFET cu canal P, design-ul driverului simplifică enorm aspectul, așa cum se arată mai jos:

Utilizarea MOSFET-urilor P și N-channel

Nevoia unui bootstrapped încarcă pompa este eliminat pentru comutarea comutatorului lateral înalt. Aici acest lucru poate fi pur și simplu condus direct de semnalul de intrare și printr-un schimbător de nivel (convertor de 3V la 5V sau etapa de convertor de 5V la 12V).

Selectarea MOSFET-urilor cu canal P pentru comutarea aplicațiilor

De obicei, sistemele de acționare de joasă tensiune funcționează cu frecvențe de comutare în intervalul de la 10 la 50 kHz.

În aceste intervale, aproape toată disiparea puterii MOSFET are loc prin pierderi de conducere, din cauza specificațiilor de curent ridicate ale motorului.

Prin urmare, în astfel de rețele un MOSFET cu canal P cu R adecvat_{DS (activat)}ar trebui să fie alese pentru a obține o eficiență optimă.

Acest lucru ar putea fi înțeles prin contemplarea unei ilustrații a unei unități de joasă tensiune de 30 W acționată cu o baterie de 12 V.

Pentru un MOSFET cu canal P lateral înalt, putem avea câteva opțiuni în mână - una pentru a avea un R echivalent_{DS (activat)}comparabil cu canalul N lateral lateral și celălalt pentru a avea taxe de poartă comparabile.

Următorul tabel de mai jos prezintă componentele aplicabile pentru sistemul de acționare de joasă tensiune cu punte completă cu R comparabil_{DS (activat)}și cu încărcături de poartă identice cu cea a MOSFET-ului cu canal N pe partea de jos.

Tabelul de mai sus care prezintă pierderile MOSFET în cadrul aplicației particulare arată că pierderile globale de putere sunt guvernate de pierderile de conducere, după cum s-a dovedit în graficul circular următor.

În plus, se pare că, dacă MOSFET cu canal P este preferat având încărcări de poartă comparabile cu cele ale canalului N, pierderile de comutare vor fi identice, dar pierderile de conducere pot fi probabil excesiv de mari.

Prin urmare, pentru aplicațiile de comutare redusă cu frecvențe mai mici, MOSFET-ul cu canal P din partea înaltă ar trebui să aibă madurat un R comparabil _{DS (activat)} ca cel al canalului N lateral lateral.

Punct de încărcare neizolat (POL)

Punctul de încărcare neizolat este o topologie a convertorului, cum ar fi în convertoarele Buck unde ieșirea nu este izolată de intrare, spre deosebire de modele flyback unde etapele de intrare și ieșire sunt complet izolate.

Pentru astfel de puncte de încărcare neizolate de putere redusă cu putere de ieșire mai mică de 10W, prezintă una dintre cele mai mari dificultăți de proiectare. Dimensionarea trebuie să fie minimă, păstrând în același timp un grad satisfăcător de eficiență.

O modalitate populară de a reduce dimensiunea convertorului este de a utiliza MOSFET pe canal N ca driver lateral înalt și de a crește frecvența de operare la un nivel substanțial mai ridicat. Comutarea mai rapidă permite utilizarea unui inductor cu dimensiuni reduse.

Diodele Schottky sunt adesea implementate pentru rectificarea sincronă în aceste tipuri de circuite, însă MOSFET-urile sunt, în schimb, o opțiune mai bună, deoarece căderea de tensiune pentru MOSFET-urile este de obicei substanțial mai mică decât o diodă.

O altă abordare de economisire a spațiului ar fi înlocuirea MOSFET-ului cu canal N pe partea înaltă cu un canal P.

Metoda canalului P scapă de circuitele suplimentare complexe pentru a conduce poarta, ceea ce devine necesar pentru un MOSFET cu canal N pe partea înaltă.

Diagrama de mai jos demonstrează proiectarea fundamentală a unui convertor Buck având un MOSFET cu canal P implementat pe partea superioară.

În mod normal, frecvențele de comutare în aplicațiile de punct de încărcare neizolate vor fi probabil aproape de 500kHz, sau chiar în momente cât mai mari de până la 2MHz.

Contradicând conceptele anterioare de proiectare, pierderea principală la astfel de frecvențe se dovedește a fi pierderile de comutare.

Figura de mai jos indică pierderea de la un MOSFET într-o aplicație Point of Load neizolată de 3 wați care rulează la o frecvență de comutare de 1 MHz.

Astfel, arată nivelul de încărcare a porții care trebuie specificat unui canal P atunci când este selectat pentru o aplicație laterală înaltă, în raport cu un dispozitiv cu canal N lateral înalt.

Concluzie

Aplicarea unui MOSFET cu canal P oferă fără îndoială avantajelor proiectanților în ceea ce privește configurația mai puțin complicată, mai fiabilă și o configurație îmbunătățită.

Acestea fiind spuse pentru o aplicație dată, compromisul dintre R_{DS (activat)}și Q_Gtrebuie evaluat în mod serios în timp ce selectați un MOSFET cu canal P. Aceasta este pentru a vă asigura că canalul p este capabil să ofere o performanță optimă la fel ca varianta sa cu canal n.

Curtoazie: Infineon