Implementace MOSFETů s kanálem P v obvodu H-můstku může vypadat snadno a lákavě, ale pro dosažení optimální odezvy může vyžadovat některé přísné výpočty a parametry.
MOSFETy s kanálem P jsou obvykle implementovány pro přepínání ON / OFF zátěže. Snadné použití možností kanálu P na vyšší straně umožňuje, aby byly velmi vhodné pro aplikace, jako jsou nízkonapěťové pohony (H-Bridge Networks) a neizolované Point of Loads (Buck Converters), a v aplikacích, ve prostor je kritickým omezením.
Klíčovou výhodou MOSFETu s kanálem P je ekonomická strategie řízení brány kolem polohy přepínače na vysoké straně a obecně pomáhá, aby byl systém velmi nákladově efektivní.
V tomto článku prozkoumáme použití MOSFETů s kanálem P jako přepínače na vysoké straně pro aplikace H-Bridge
Klady a zápory kanálu P versus kanál N
Když používá se v aplikaci s vysokými postranními spínači zdrojové napětí N-kanálového MOSFETu je se zvýšeným potenciálem vzhledem k zemi.
Proto zde provozování N-kanálového MOSFET vyžaduje nezávislý ovladač brány, jako je bootstrappingový obvod, nebo uspořádání zahrnující fázi pulzního transformátoru.
Tyto ovladače vyžadují samostatný zdroj energie, zatímco zatížení transformátoru může občas projít nekompatibilními okolnostmi.
Na druhou stranu to nemusí být situace s P-kanálem MOSFET. Spínač na vysoké straně P-kanálu můžete snadno ovládat pomocí běžného obvodu řadiče úrovně (měnič úrovně napětí). Dosažení tohoto cíle zefektivňuje okruh a účinně snižuje celkové náklady.
Zde je třeba vzít v úvahu, že dosažení stejného R může být extrémně obtížnéDS (zapnuto)účinnost pro P-kanál MOSFET na rozdíl od N-kanálu s použitím podobné dimenze čipu.
Vzhledem k tomu, že tok nosičů v N-kanálu je přibližně 2 až 3krát větší než tok P-kanálu, pro přesně stejný RDS (zapnuto)Dosah zařízení P-kanálu musí být 2 až 3krát větší než jeho protějšek N-kanálu.
Větší velikost balení způsobí snížení tepelné tolerance zařízení s kanálem P a také zvýší jeho aktuální specifikace. To také úměrně ovlivňuje jeho dynamickou účinnost v důsledku zvětšení velikosti případu.
Proto v nízkofrekvenční aplikaci, ve které jsou ztráty vedením obvykle vysoké, musí mít P-kanál MOSFET RDS (zapnuto)odpovídá kanálu N-kanálu. V takové situaci bude vnitřní oblast MOSFET kanálu P-kanálu větší než oblast N kanálu.
Navíc ve vysokofrekvenčních aplikacích, kde jsou spínací ztráty obvykle vysoké, by měl MOSFET s P-kanálem mít hodnotu hradlových poplatků srovnatelnou s N-kanálem.
V takových případech by velikost MOSFETu P-kanálu mohla být na stejné úrovni jako N-kanál, ale se sníženou specifikací proudu ve srovnání s alternativou N-kanálu.
Ideální MOSFET s kanálem P je proto třeba opatrně vybírat s přihlédnutím ke správnému RDS (zapnuto)a specifikace nabíjení brány.
Jak vybrat MOSFET kanálu P pro aplikaci
Existuje řada spínacích aplikací, kde lze efektivně použít P-kanál MOSFET, například nízkonapěťové pohony a neizolované body zatížení.
U těchto typů aplikací jsou zásadními pokyny, které se řídí volbou MOSFET, obvykle odolnost proti zapnutí zařízení (RDS (zapnuto)) a poplatek za bránu (QG). Kterákoli z těchto proměnných má za následek větší důležitost na základě spínací frekvence v aplikaci.
Pro použití v sítích s nízkým napětím, jako je konfigurace s plným můstkem nebo s mostem B6 (třífázový můstek), se běžně používají M-kanály N-kanálu s motorem (zátěž) a stejnosměrným napájením.
Kompromisním faktorem pro pozitivní aspekty zařízení N-kanálu je vyšší složitost konstrukce ovladače brány.
Ovladač brány N-kanálového přepínače na vysoké straně vyžaduje a bootstrap obvod který vytváří hradlové napětí větší než napájecí lišta napájecího napětí motoru, nebo střídavě samostatný napájecí zdroj pro jeho zapnutí. Zvýšená složitost návrhu obecně vede k větší konstrukční práci a vyšší oblasti montáže.
Obrázek níže ukazuje rozdíl mezi obvodem navrženým pomocí komplementárních M a MOSFETů s kanálem P a N a obvodem pouze se 4 M-kanály M-kanálů N-kanálu.
Používá pouze 4 N-kanálové MOSFETY
V tomto uspořádání, pokud je přepínač na vysoké straně sestaven s MOSFETem s kanálem P, návrh ovladače ohromně zjednodušuje rozložení., Jak je znázorněno níže:
Použití P a N-kanálových MOSFETů
Potřeba bootstrapped plnicí čerpadlo je vyloučeno pro přepínání horního bočního spínače. Tady to lze jednoduše řídit přímo vstupním signálem a převodníkem úrovně (převodník 3V na 5V nebo stupeň převodu 5V na 12V).
Výběr MOSFETů P-kanálu pro přepínání aplikací
Typicky nízkonapěťové pohonné systémy pracují se spínacími frekvencemi v rozsahu 10 až 50kHz.
V těchto rozsazích dochází téměř ke všem ztrátám výkonu MOSFET prostřednictvím ztrát vedením, kvůli vysokým proudovým specifikacím motoru.
Proto v takových sítích P-kanál MOSFET s příslušným RDS (zapnuto)by mělo být zvoleno pro dosažení optimální účinnosti.
To lze pochopit uvažováním o ilustraci 30W nízkonapěťového pohonu napájeného z 12V baterie.
Pro MOSFET s vysokou stranou P-kanálu můžeme mít v ruce několik možností - jednu, která má ekvivalentní RDS (zapnuto)srovnatelný s nízkým bočním N-kanálem a druhý má srovnatelné hradlové náklady.
Následující tabulka níže zobrazuje komponenty použitelné pro plný můstek nízkonapěťového pohonu se srovnatelným RDS (zapnuto)a se stejnými hradlovými náboji jako u N-kanálového MOSFETu na spodní straně.
Tabulka výše zobrazující ztráty MOSFET v konkrétní aplikaci ukazuje, že celkové ztráty výkonu jsou řízeny ztrátami vedením, jak je prokázáno v následujícím výsečovém grafu.
Navíc to vypadá, že pokud je preferován P-kanál MOSFET se srovnatelnými hradlovými náboji jako u N-kanálu, spínací ztráty budou identické, ale ztráty vedením mohou být pravděpodobně příliš vysoké.
Proto by pro aplikace s nízkým spínáním s nižšími frekvencemi měl mít MOSFET na vysoké straně P-kanálu madatoricky srovnatelný R DS (zapnuto) jako u nízkého bočního N-kanálu.
Neizolovaný bod zatížení (POL)
Neizolovaný bod zatížení je topologie převaděče, například v převaděčích buck, kde výstup není izolován od vstupu, na rozdíl od flyback vzory kde jsou vstupní a výstupní stupně zcela izolované.
U takového neizolovaného bodu zatížení s nízkým výkonem, jehož výstupní výkon je nižší než 10 W, představuje jednu z největších konstrukčních obtíží. Dimenzování musí být minimální a při zachování uspokojivé míry účinnosti.
Jedním z populárních způsobů, jak zmenšit velikost převaděče, je použít N-kanálový MOSFET jako ovladač vysoké strany a zvýšit provozní frekvenci na podstatně vyšší úroveň. Rychlejší přepínání umožňuje použití mnohem zmenšené velikosti induktoru.
Schottkyho diody jsou často implementovány pro synchronní usměrňování v těchto typech obvodů, nicméně MOSFET jsou nepochybně lepší volbou, protože pokles napětí pro MOSFET je obvykle podstatně nižší než dioda.
Dalším přístupem k úspoře místa by bylo nahradit MOSFET s vysokým kanálem N-kanálu P-kanálem.
Metoda P-kanálu se zbavuje složitých doplňkových obvodů pro řízení brány, což je nezbytné pro MOSFET N-kanálu na vyšší straně.
Níže uvedený diagram ukazuje základní konstrukci převaděče buck, který má MOSFET s P-kanálem implementovaný na vyšší straně.
Normálně budou spínací frekvence v neizolovaných aplikacích typu Point of Load pravděpodobně blízké 500kHz, nebo dokonce někdy až 2MHz.
Na rozdíl od dřívějších koncepcí designu se ukázalo, že hlavní ztrátou na takových frekvencích jsou spínací ztráty.
Obrázek níže ukazuje ztrátu z MOSFETu v 3 wattové neizolované aplikaci Point of Load běžící při spínací frekvenci 1 MHz.
Ukazuje tedy úroveň hradlového náboje, která musí být specifikována pro P-kanál, když je vybrán pro aplikaci na vysoké straně, s ohledem na zařízení na N-kanálu na vysoké straně.
Závěr
Použití MOSFETu s P-kanálem vám bezpochyby dává výhody návrhářům, pokud jde o méně komplikovanou, spolehlivější a vylepšenou konfiguraci.
To znamená pro danou aplikaci kompromis mezi R.DS (zapnuto)a QGby měl být vážně hodnocen při výběru P-kanálu MOSFET. Tím je zajištěno, že p-kanál je schopen nabídnout optimální výkon stejně jako jeho n-kanálová varianta.
Zdvořilost: Infineon
Předchozí: Jak opravit netopýry proti komárům Další: Výroba generátoru s vlastním pohonem
