P-csatornás MOSFET a H-Bridge alkalmazásokban

A P-csatornás MOSFET-ek H-híd áramkörben történő megvalósítása egyszerűnek és csábítónak tűnhet, azonban az optimális válasz eléréséhez szigorú számításokat és paramétereket igényelhet.

A P-csatornás MOSFET-eket általában terhelés BE / KI kapcsolására valósítják meg. A P-csatorna opcióinak könnyű kezelhetősége a magas oldalon lehetővé teszi, hogy nagyon kényelmesek legyenek olyan alkalmazásokhoz, mint a kisfeszültségű meghajtók (H-Bridge Networks) és a nem elkülönített terhelési pontok (Buck Converter), valamint azokban az alkalmazásokban, ahol a tér kritikus korlát.

A P-csatornás MOSFET legfontosabb előnye a gazdaságos kapuhajtási stratégia a magas oldalsó kapcsoló helyzet körül, és általában segít a rendszer nagyon költséghatékonyá tételében.

Ebben a cikkben a P-csatornás MOSFET-ek magas oldalsó kapcsolóként való használatát vizsgáljuk a H-Bridge alkalmazásokhoz

P-csatorna és N-csatorna előnyei és hátrányai

Amikor magas oldalsó kapcsoló alkalmazásban használják az N-csatornás MOSFET forrásfeszültsége véletlenül megnövelt potenciálban van a földhöz viszonyítva.

Ezért itt egy N-csatornás MOSFET működtetéséhez szükség van egy független kapu-meghajtóra, például egy indító áramköri áramkörre, vagy egy impulzus-transzformátor fokozatot magában foglaló elrendezésre.

Ezek a meghajtók külön áramforrást igényelnek, míg a transzformátor terhelése alkalmanként összeférhetetlen körülmények között élhet át.

Másrészt előfordulhat, hogy ez nem a P-csatornás MOSFET esetében a helyzet. Könnyedén vezethet egy P-csatornás magas oldalsó kapcsolót egy közönséges szintváltó áramkör (feszültségszint-váltó) segítségével. Ennek elérése ésszerűsíti az áramkört és hatékonyan csökkenti az összes költséget.

Ennek ellenére itt figyelembe kell venni, hogy rendkívül nehéz elérni az azonos R-t_{DS (be)}a P-csatornás MOSFET hatékonysága, szemben a hasonló chipdimenziót használó N-csatornával.

Annak a ténynek köszönhetően, hogy a hordozók áramlása egy N-csatornában körülbelül 2-3-szor nagyobb, mint egy P-csatornánál, pontosan ugyanazon R_{DS (be)}tartományban a P-csatornás eszköznek 2-3-szor nagyobbnak kell lennie, mint az N-csatornás megfelelője.

A nagyobb csomagméret csökkenti a P-csatornás eszköz hőtűrését, és növeli annak jelenlegi specifikációit is. Ez a megnövekedett esetméret miatt arányosan befolyásolja dinamikus hatékonyságát is.

Ezért egy alacsony frekvenciájú alkalmazásban, ahol a vezetési veszteségek általában magasak, a P-csatornás MOSFET-nek R_{DS (be)}megfelel egy N-csatornának. Ilyen helyzetben a P-csatornás MOSFET belső régiójának nagyobbnak kell lennie, mint az N-csatornának.

Ezenkívül azokban a nagyfrekvenciás alkalmazásokban, ahol a kapcsolási veszteségek általában nagyok, a P-csatornás MOSFET-nek rendelkeznie kell az N-csatornához hasonló kaputöltések értékével.

Ilyen esetekben a P-csatornás MOSFET mérete megegyezhet az N-csatornával, de az N-csatornás alternatívához képest alacsonyabb az áram specifikációja.

Ezért az ideális P-csatornás MOSFET-et óvatosan kell kiválasztani, figyelembe véve a megfelelő R-t_{DS (be)}és kaputöltési előírások.

P-csatornás MOSFET kiválasztása egy alkalmazáshoz

Számos kapcsolási alkalmazás létezik, ahol a P-csatornás MOSFET hatékonyan alkalmazható, például kisfeszültségű meghajtók és nem szigetelt terhelési pontok.

Az ilyen típusú alkalmazásokban a MOSFET választását meghatározó iránymutatások általában a készülék BE-ellenállása (R_{DS (be)}) és a kaputöltést (Q_G). Ezen változók bármelyike ​​azt eredményezi, hogy az alkalmazás kapcsolási gyakorisága alapján nagyobb jelentőségű.

Kisfeszültségű meghajtó hálózatokban, például teljes híd vagy B6 híd (3 fázisú híd) konfigurációban történő alkalmazáshoz általában az N csatornás MOSFET-eket használják motorral (terhelés) és egyenáramú tápellátással.

Az N-csatornás eszközök pozitív aspektusainak kompromittáló tényezője a kapu meghajtó tervezésének nagyobb összetettsége.

Az N-csatornás magas oldalsó kapcsoló kapu-meghajtója a bootstrap áramkör amely a motor feszültségellátó sínjénél nagyobb kapufeszültséget hoz létre, vagy felváltva egy független tápegységet annak bekapcsolásához. A megnövekedett tervezési bonyolultság általában nagyobb tervezési munkához és nagyobb összeszerelési területhez vezet.

Az alábbi ábra szemlélteti a különbséget az egymást kiegészítő P és N csatornás MOSFET-ek használatával tervezett áramkör és a csak 4 N-csatornás MOSFET-ekkel ellátott áramkör között.

Csak 4 N-csatornás MOSFET-et használ

Ebben az elrendezésben, ha a magas oldalsó kapcsolót P-csatornás MOSFET-nel építik, a meghajtó kialakítása rendkívül egyszerűsíti az elrendezést. Az alábbiak szerint:

P és N csatornás MOSFET használatával

A csomagtartó szükségessége töltőszivattyú ki van kapcsolva a magas oldalsó kapcsoló kapcsolásához. Itt ezt egyszerűen a bemeneti jel és a szintváltó (3V-5V átalakító vagy 5V-12V átalakító fokozat) segítségével lehet vezérelni.

P-csatornás MOSFET kiválasztása az alkalmazások váltásához

A kisfeszültségű meghajtórendszerek általában 10-50 kHz közötti kapcsolási frekvenciákkal működnek.

Ezekben a tartományokban a MOSFET teljesítményének szinte teljes elvezetése vezetési veszteségekkel történik, a motor magas áramellátása miatt.

Ezért az ilyen hálózatokban egy P-csatornás MOSFET megfelelő R-vel_{DS (be)}az optimális hatékonyság elérése érdekében kell választani.

Ezt meg lehet érteni egy 12 W-os akkumulátorral működtetett 30 W-os kisfeszültségű meghajtó szemléltetésével.

A magas oldali P-csatornás MOSFET esetében lehet, hogy van pár lehetőség a kezében - az egyik ekvivalens R-vel rendelkezik_{DS (be)}összehasonlítható az alacsony oldali N-csatornával, a másik pedig összehasonlítható kaputöltéssel rendelkezik.

Az alábbi táblázat az összehasonlítható R-vel rendelkező teljes híd kisfeszültségű meghajtására vonatkozó alkatrészeket mutatja_{DS (be)}és ugyanolyan kaputöltéssel, mint az alsó oldalon lévő N-csatornás MOSFET.

A MOSFET veszteségeket ábrázoló fenti táblázat az adott alkalmazáson belül feltárja, hogy a teljes energiaveszteséget a vezetési veszteségek szabályozzák, amint azt a következő kördiagram bizonyítja.

Ezenkívül úgy tűnik, hogy ha a P-csatornás MOSFET-nek előnyben részesítjük az összehasonlítható kaputöltéseket, mint az N-csatornához, akkor a kapcsolási veszteségek azonosak lesznek, de a vezetési veszteségek valószínűleg túl magasak lehetnek.

Ezért alacsony frekvenciájú alacsony kapcsolású alkalmazásokhoz a magas oldali P-csatornás MOSFET-nek kötelezően összehasonlítható R _{DS (be)} mint az alacsony oldali N-csatorna.

Nem szigetelt terhelési pont (POL)

A nem izolált terhelési pont egy olyan konverter topológia, mint például a buck konverterekben, ahol a kimenet nincs elkülönítve a bemenettől, ellentétben a flyback minták ahol a bemeneti és kimeneti szakaszok teljesen elszigeteltek.

Az ilyen kis teljesítményű, nem szigetelt, 10 W-nál alacsonyabb kimenő teljesítményű terhelési pontok esetében az egyik legnagyobb tervezési nehézség merül fel. A méretezésnek minimálisnak kell lennie, ugyanakkor meg kell őriznie a kielégítő hatékonyságot.

A konverter méretének csökkentésének egyik népszerű módja az N-csatornás mosfet használata magas oldalsó meghajtóként, és az üzemi frekvencia lényegesen magasabb szintre emelése. A gyorsabb kapcsolás lehetővé teszi egy sokkal kicsinyített induktív méret használatát.

A Schottky diódákat gyakran szinkron egyenirányítás céljából valósítják meg az ilyen típusú áramkörökben, azonban a MOSFET kétségtelenül jobb megoldás, mivel a MOSFET feszültségesése általában lényegesen alacsonyabb, mint egy dióda.

Egy másik helytakarékos megközelítés az lenne, ha a magas oldali N-csatornás MOSFET-et P-csatornával helyettesítenénk.

A P-csatornás módszer megszabadul a kapu meghajtására szolgáló komplex kiegészítő áramköröktől, amelyek szükségessé válnak egy N-csatornás MOSFET számára a magas oldalon.

Az alábbi ábra bemutatja a B-konverter alapvető kialakítását, amelynek magas oldalán P-csatornás MOSFET van megvalósítva.

Normál esetben a nem elkülönített Point of Load alkalmazások kapcsolási frekvenciái valószínűleg közelítenek az 500 kHz-hez, vagy akár 2MHz-ig is.

A korábbi tervezési koncepciókkal ellentétben az ilyen frekvenciákon bekövetkező fő veszteség a kapcsolási veszteség.

Az alábbi ábra az MOSFET veszteségét mutatja egy 3 wattos, nem szigetelt terhelési pont alkalmazással, amely 1 MHz kapcsolási frekvencián működik.

Így megmutatja a kapu töltöttségi szintjét, amelyet meg kell adni egy P-csatornának, amikor azt egy magas oldali alkalmazáshoz választják, egy magas oldali N-csatornás eszközhöz képest.

Következtetés

A P-csatornás MOSFET alkalmazása kétségtelenül előnyöket kínál a tervezők számára a kevésbé bonyolult, megbízhatóbb és továbbfejlesztett konfiguráció tekintetében.

Ez azt mondta egy adott alkalmazás esetében, az R közötti kompromisszum_{DS (be)}és Q_Ga P-csatornás MOSFET kiválasztása során komolyan értékelni kell. Ennek célja annak biztosítása, hogy a p-csatorna az n-csatornás változatához hasonlóan képes legyen optimális teljesítményt nyújtani.

Udvariasság: Infineon