P-Channel MOSFET σε εφαρμογές H-Bridge

Η εφαρμογή MOSFET καναλιών P σε ένα κύκλωμα H-bridge μπορεί να φαίνεται εύκολη και δελεαστική, ωστόσο μπορεί να απαιτήσει ορισμένους αυστηρούς υπολογισμούς και παραμέτρους για την επίτευξη της βέλτιστης απόκρισης.

Τα MOSFET P-channel συνήθως εφαρμόζονται για εναλλαγή φορτίου ON / OFF. Η ευκολία χρήσης των επιλογών καναλιού P στην υψηλή πλευρά τους επιτρέπει να είναι πολύ βολικές για εφαρμογές όπως μονάδες δίσκου χαμηλής τάσης (δίκτυα H-Bridge) και μη απομονωμένα σημεία φόρτωσης (μετατροπείς Buck) και σε εφαρμογές στις οποίες ο χώρος είναι ένας κρίσιμος περιορισμός.

Το βασικό πλεονέκτημα ενός P-channel MOSFET είναι η οικονομική στρατηγική οδήγησης πύλης γύρω από τη θέση του διακόπτη υψηλής πλευράς και γενικά βοηθά να γίνει το σύστημα πολύ οικονομικό.

Σε αυτό το άρθρο διερευνούμε τη χρήση των P-channel MOSFET ως διακόπτη υψηλής πλευράς για εφαρμογές H-Bridge

P-channel έναντι N-channel Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα

Πότε χρησιμοποιείται σε εφαρμογή διακόπτη υψηλής πλευράς η τάση πηγής ενός N-καναλιού MOSFET τυχαίνει να έχει αυξημένο δυναμικό σε σχέση με τη γείωση.

Επομένως, εδώ η λειτουργία ενός N-καναλιού MOSFET απαιτεί ένα ανεξάρτητο πρόγραμμα οδήγησης πύλης, όπως ένα κύκλωμα εκκίνησης, ή μια διάταξη που περιλαμβάνει ένα στάδιο μετασχηματιστή παλμού.

Αυτά τα προγράμματα οδήγησης απαιτούν μια ξεχωριστή πηγή ισχύος, ενώ το φορτίο του μετασχηματιστή μπορεί περιστασιακά να περάσει από ασύμβατες περιστάσεις.

Από την άλλη πλευρά, αυτό μπορεί να μην συμβαίνει με το M-MOSFET καναλιού P. Μπορείτε εύκολα να οδηγήσετε έναν διακόπτη υψηλής πλευράς καναλιού P χρησιμοποιώντας ένα συνηθισμένο κύκλωμα αλλαγής στάθμης (αλλαγής στάθμης τάσης). Η επίτευξη αυτού βελτιστοποιεί το κύκλωμα και μειώνει αποτελεσματικά το συνολικό κόστος.

Τούτου λεχθέντος, το σημείο που πρέπει να ληφθεί υπόψη εδώ είναι ότι μπορεί να είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί το ίδιο R_{DS (ενεργοποιημένο)}αποδοτικότητα για ένα P-channel MOSFET σε αντίθεση με ένα N-channel που χρησιμοποιεί την ίδια διάσταση chip.

Λόγω του γεγονότος ότι η ροή των φορέων σε ένα κανάλι Ν είναι περίπου 2 έως 3 φορές μεγαλύτερη από αυτή ενός καναλιού Ρ, για το ίδιο ακριβώς R_{DS (ενεργοποιημένο)}εύρος Η συσκευή P-channel πρέπει να έχει μέγεθος 2 έως 3 φορές μεγαλύτερο από το αντίστοιχο N-channel.

Το μεγαλύτερο μέγεθος πακέτου, προκαλεί μείωση της θερμικής ανοχής της συσκευής P-channel και επίσης αυξάνει τις τρέχουσες προδιαγραφές της. Αυτό επηρεάζει επίσης τη δυναμική αποτελεσματικότητά του αναλογικά λόγω του αυξημένου μεγέθους της θήκης.

Επομένως, σε μια εφαρμογή χαμηλής συχνότητας στην οποία οι απώλειες αγωγιμότητας τείνουν να είναι υψηλές, ένα MOSFET καναλιού P πρέπει να έχει R_{DS (ενεργοποιημένο)}αντιστοιχεί σε αυτό ενός Ν-καναλιού. Σε μια τέτοια περίπτωση, η εσωτερική περιοχή του καναλιού P MOSFET θα είναι μεγαλύτερη από εκείνη του καναλιού Ν.

Επιπλέον, σε εφαρμογές υψηλής συχνότητας όπου οι απώλειες μεταγωγής είναι συνήθως υψηλές, ένα P-channel MOSFET θα πρέπει να διαθέτει τιμή φόρτισης πύλης συγκρίσιμη με ένα κανάλι Ν.

Σε τέτοιες περιπτώσεις, ένα μέγεθος P-channel MOSFET θα μπορούσε να είναι το ίδιο με το N-channel, αλλά με μειωμένη τρέχουσα προδιαγραφή σε σύγκριση με ένα N-channel εναλλακτικό.

Ως εκ τούτου, ένα ιδανικό P-channel MOSFET πρέπει να επιλεγεί προσεκτικά λαμβάνοντας υπόψη το κατάλληλο R_{DS (ενεργοποιημένο)}και προδιαγραφές φόρτισης πύλης.

Πώς να επιλέξετε ένα P-channel MOSFET για μια εφαρμογή

Υπάρχουν πολλές εφαρμογές εναλλαγής όπου ένα P-channel MOSFET μπορεί να εφαρμοστεί αποτελεσματικά, για παράδειγμα μονάδες χαμηλής τάσης και μη απομονωμένα σημεία φόρτωσης.

Σε αυτούς τους τύπους εφαρμογών, οι κρίσιμες οδηγίες που διέπουν την επιλογή MOSFET είναι συνήθως συσκευή αντίστασης (R)_{DS (ενεργοποιημένο)}) και την πύλη φόρτισης (Q_σολ). Οποιαδήποτε από αυτές τις μεταβλητές έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερη σημασία με βάση τη συχνότητα μεταγωγής στην εφαρμογή.

Για εφαρμογή σε δίκτυα χαμηλής τάσης, όπως διαμόρφωση πλήρους γέφυρας ή γέφυρας B6 (γέφυρα 3 φάσεων), χρησιμοποιούνται συνήθως τα MOSFET καναλιού N με κινητήρα (φορτίο) και παροχή DC.

Ο συμβιβαστικός παράγοντας για τις θετικές πτυχές που παρουσιάζονται από συσκευές N-channel είναι η υψηλότερη πολυπλοκότητα στη σχεδίαση του οδηγού πύλης.

Ένας οδηγός πύλης ενός διακόπτη υψηλής πλευράς καναλιού Ν απαιτεί ένα κύκλωμα εκκίνησης που δημιουργεί μια τάση πύλης μεγαλύτερη από τη ράγα τροφοδοσίας τάσης κινητήρα, ή εναλλακτικά μια ανεξάρτητη παροχή ρεύματος για να την ενεργοποιήσετε. Η αυξημένη πολυπλοκότητα του σχεδιασμού γενικά οδηγεί σε μεγαλύτερη σχεδίαση και μεγαλύτερη περιοχή συναρμολόγησης.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη διαφορά μεταξύ του κυκλώματος που έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας συμπληρωματικά κανάλια P και N καναλιών MOSFET και του κυκλώματος με μόνο 4-καναλιών MOSFET.

Χρησιμοποιώντας μόνο 4 N-channel MOSFETS

Σε αυτήν τη διάταξη, εάν ο διακόπτης υψηλής πλευράς είναι κατασκευασμένος με ένα M-MOSFET καναλιού P, ο σχεδιασμός του προγράμματος οδήγησης απλοποιεί τη διάταξη εξαιρετικά., Όπως φαίνεται παρακάτω:

Χρησιμοποιώντας MOSFET καναλιών P και N

Η ανάγκη για ένα bootstrapped αντλία φόρτισης εξαλείφεται για την εναλλαγή του διακόπτη υψηλής πλευράς. Εδώ αυτό μπορεί απλά να οδηγηθεί απευθείας από το σήμα εισόδου και μέσω ενός μετατοπιστή στάθμης (μετατροπέας 3V σε 5V ή στάδιο μετατροπέα 5V σε 12V).

Επιλογή M-καναλιών P-channel για εναλλαγή εφαρμογών

Συνήθως τα συστήματα κίνησης χαμηλής τάσης λειτουργούν με συχνότητες εναλλαγής από 10 έως 50kHz.

Σε αυτά τα εύρη, σχεδόν όλη η απαγωγή ισχύος MOSFET συμβαίνει μέσω απώλειας αγωγιμότητας, λόγω των υψηλών προδιαγραφών ρεύματος του κινητήρα.

Επομένως, σε τέτοια δίκτυα ένα P-channel MOSFET με κατάλληλο R_{DS (ενεργοποιημένο)}πρέπει να επιλεγεί για να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση.

Αυτό θα μπορούσε να γίνει κατανοητό μελετώντας μια απεικόνιση ενός δίσκου χαμηλής τάσης 30W που λειτουργεί με μπαταρία 12V.

Για MOSFET P-καναλιού υψηλής πλευράς μπορεί να έχουμε μερικές επιλογές - μία για να έχουμε ισοδύναμο R_{DS (ενεργοποιημένο)}συγκρίσιμο με το κανάλι N χαμηλής πλευράς και το άλλο με συγκρίσιμα φορτία πύλης.

Στον παρακάτω πίνακα παρουσιάζονται τα εξαρτήματα που ισχύουν για την πλήρη γέφυρα χαμηλής τάσης με συγκρίσιμο R_{DS (ενεργοποιημένο)}και με πανομοιότυπες χρεώσεις πύλης με εκείνη του N-channel MOSFET στην χαμηλή πλευρά.

Ο παραπάνω πίνακας που απεικονίζει τις απώλειες MOSFET εντός της συγκεκριμένης εφαρμογής αποκαλύπτει ότι οι συνολικές απώλειες ισχύος διέπονται από τις απώλειες αγωγιμότητας όπως αποδεικνύεται στο ακόλουθο γράφημα πίτας.

Επιπλέον, μοιάζει αν προτιμάται το P-channel MOSFET να έχει συγκρίσιμες χρεώσεις πύλης με εκείνη του N-channel, οι απώλειες μεταγωγής θα είναι ίδιες, αλλά οι απώλειες αγωγιμότητας ενδέχεται να είναι υπερβολικά υψηλές.

Επομένως, για εφαρμογές χαμηλής εναλλαγής με χαμηλότερες συχνότητες, το MOSFET καναλιού υψηλής πλευράς θα πρέπει να έχει παρεμφερή R _{DS (ενεργοποιημένο)} όπως αυτό του καναλιού N χαμηλής πλευράς.

Μη απομονωμένο σημείο φόρτωσης (POL)

Το μη απομονωμένο Point of Loads είναι τοπολογία μετατροπέα, όπως σε μετατροπείς buck όπου η έξοδος δεν είναι απομονωμένη από την είσοδο, σε αντίθεση με την σχέδια επιστροφής όπου τα στάδια εισόδου και εξόδου είναι εντελώς απομονωμένα.

Για τέτοια χαμηλής ισχύος μη απομονωμένο Σημείο φορτίων με ισχύ εξόδου μικρότερη από 10W, παρουσιάζει μία από τις μεγαλύτερες δυσκολίες σχεδιασμού. Το μέγεθος πρέπει να είναι ελάχιστο, διατηρώντας παράλληλα ικανοποιητικό βαθμό απόδοσης.

Ένας δημοφιλής τρόπος για να μειώσετε το μέγεθος του μετατροπέα είναι να χρησιμοποιήσετε το N-channel mosfet ως πρόγραμμα οδήγησης υψηλής πλευράς και να αυξήσετε τη συχνότητα λειτουργίας σε σημαντικά υψηλότερο επίπεδο. Η ταχύτερη εναλλαγή επιτρέπει τη χρήση ενός πολύ χαμηλού μεγέθους επαγωγέα.

Οι δίοδοι Schottky συχνά εφαρμόζονται για σύγχρονη διόρθωση σε αυτούς τους τύπους κυκλωμάτων, ωστόσο τα MOSFETs είναι αναμφίβολα μια καλύτερη επιλογή, καθώς η πτώση τάσης για MOSFETs είναι συνήθως ουσιαστικά χαμηλότερη από μια δίοδο.

Μια άλλη προσέγγιση εξοικονόμησης χώρου θα ήταν η αντικατάσταση του MOSFET N-channel υψηλής πλευράς με ένα κανάλι P.

Η μέθοδος P-channel απαλλάσσει το σύνθετο συμπληρωματικό κύκλωμα για να οδηγήσει την πύλη, η οποία καθίσταται απαραίτητη για ένα N-channel MOSFET στην υψηλή πλευρά.

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει τον θεμελιώδη σχεδιασμό ενός μετατροπέα buck που έχει M-MFFET καναλιού εφαρμοσμένο στην υψηλή πλευρά.

Κανονικά, οι συχνότητες μεταγωγής σε μη απομονωμένες εφαρμογές Σημείου φόρτωσης θα είναι πιθανότατα κοντά στα 500kHz, ή ακόμη και σε φορές υψηλότερα έως 2MHz.

Σε αντίθεση με τις προηγούμενες σχεδιαστικές έννοιες, η κύρια απώλεια σε αυτές τις συχνότητες αποδεικνύεται ότι είναι οι απώλειες μεταγωγής.

Η παρακάτω εικόνα δείχνει την απώλεια από ένα MOSFET σε μια μη απομονωμένη εφαρμογή Σημείου φόρτωσης 3 watt που εκτελείται σε συχνότητα μεταγωγής 1MHz.

Έτσι, δείχνει το επίπεδο φόρτισης πύλης που πρέπει να καθοριστεί σε ένα κανάλι Ρ όταν επιλέγεται για εφαρμογή υψηλής πλευράς, σε σχέση με μια συσκευή καναλιού υψηλής πλευράς.

συμπέρασμα

Η εφαρμογή ενός καναλιού P MOSFET αναμφίβολα σας δίνει τα πλεονεκτήματα των σχεδιαστών όσον αφορά λιγότερο περίπλοκη, πιο αξιόπιστη και βελτιωμένη διαμόρφωση.

Αυτό είπε για μια δεδομένη εφαρμογή, ο συμβιβασμός μεταξύ του R_{DS (ενεργοποιημένο)}και Q_σολθα πρέπει να αξιολογηθεί σοβαρά κατά την επιλογή ενός καναλιού P MOSFET. Αυτό γίνεται για να διασφαλιστεί ότι το p-channel είναι σε θέση να προσφέρει τη βέλτιστη απόδοση όπως και η παραλλαγή n-channel.

Ευγένεια: Infineon