Izvajanje P-kanalnih MOSFET-jev v vezju H-mostu je lahko videti enostavno in vabljivo, vendar bo morda potrebno nekaj strogih izračunov in parametrov za doseganje optimalnega odziva.
P-kanalni MOSFET-i se običajno izvajajo za vklop / izklop obremenitve. Enostavna uporaba možnosti P-kanala na visoki strani jim omogoča, da so zelo priročni za aplikacije, kot so nizkonapetostni pogoni (omrežja H-Bridge) in neizolirane točke obremenitve (pretvorniki Buck), in za aplikacije, v katerih prostor je kritična omejitev.
Ključna prednost P-kanalnega MOSFET-a je ekonomična strategija vožnje vrat okoli visokega bočnega položaja stikala in na splošno pomaga, da je sistem zelo stroškovno učinkovit.
V tem članku raziskujemo uporabo P-kanalnih MOSFET-jev kot visoko stransko stikalo za aplikacije H-Bridge
P-kanal v primerjavi z N-kanali za in proti
Kdaj uporablja se v visoki stranski aplikaciji stikala izvorna napetost N-kanalnega MOSFET-a ima povečan potencial glede na tla.
Zato je za delovanje N-kanalnega MOSFET-a potreben neodvisen gonilnik vrat, kot je vezje za zagon ali naprava, ki vključuje stopnjo impulznega transformatorja.
Ti gonilniki potrebujejo ločen vir napajanja, medtem ko lahko obremenitev transformatorja včasih preide v nezdružljive okoliščine.
Po drugi strani to morda ni situacija z MOSFET-om s P-kanalom. Z navadnim vezjem prestavnika nivoja (menjalnik nivoja napetosti) lahko enostavno vozite visokokanalno stikalo P-kanala. Doseganje tega poenostavi vezje in učinkovito zmanjša vsestranske stroške.
Ob tem je treba tukaj upoštevati bistvo, da je lahko zelo težko doseči enak RDS (vklopljeno)učinkovitost za P-kanalni MOSFET v nasprotju z N-kanalom, ki uporablja podobno dimenzijo čipa.
Ker je pretok nosilcev v N-kanalu približno 2 do 3-krat večji od pretoka P-kanala, za popolnoma enak RDS (vklopljeno)obseg P-kanalne naprave mora biti 2 do 3-krat večji od N-kanalnega kolega.
Večja velikost embalaže povzroči zmanjšanje toplotne tolerance naprave P-kanala in poveča tudi njene trenutne specifikacije. To tudi vpliva na njegovo dinamično učinkovitost sorazmerno zaradi večje velikosti ohišja.
V nizkofrekvenčni aplikaciji, pri kateri so prevodne izgube običajno velike, mora imeti MOSFET s P-kanalom RDS (vklopljeno)kar ustreza kanalu N. V takem primeru mora biti notranje območje MOSFET-a P-kanala večje od območja N-kanala.
Poleg tega bi moral biti v visokofrekvenčnih aplikacijah, kjer so preklopne izgube običajno velike, MOSFET s P-kanalom vrednost polnilnih vrat primerljiv z N-kanalom.
V takih primerih bi bila velikost MOSFET-a s P-kanalom lahko enaka N-kanalu, vendar z zmanjšano trenutno specifikacijo v primerjavi z alternativo N-kanala.
Zato je treba previdno izbrati idealen MOSFET za P-kanal ob upoštevanju ustreznega RDS (vklopljeno)in specifikacije polnjenja vrat.
Kako izbrati P-kanalni MOSFET za aplikacijo
Obstajajo številne preklopne aplikacije, pri katerih je mogoče učinkovito uporabiti P-kanalni MOSFET, na primer nizkonapetostni pogoni in neizolirane točke obremenitve.
Pri teh vrstah aplikacij so ključne smernice, ki urejajo izbiro MOSFET-a, običajno odpornost naprave na vklop (RDS (vklopljeno)) in polnjenje vrat (QG). Katera koli od teh spremenljivk ima večji pomen glede na preklopno frekvenco v aplikaciji.
Za uporabo v nizkonapetostnih pogonskih omrežjih, kot so konfiguracije celotnega mostu ali B6 (3-fazni most), se običajno uporabljajo N-kanalni MOSFET-ji z motorjem (obremenitev) in enosmernim napajanjem.
Kompromisni dejavnik za pozitivne vidike, ki jih predstavljajo N-kanalne naprave, je večja zapletenost zasnove gonilnika vrat.
Gonilnik vrat N-kanalnega bočnega stikala zahteva a zagonsko vezje ki ustvarja napetost vrat večjo od napetosti motorja ali izmenično neodvisno napajanje za vklop. Povečana zapletenost zasnove na splošno vodi k večjim projektnim delom in večji površini montaže.
Spodnja slika prikazuje razliko med vezjem, zasnovanim z uporabo komplementarnih MOSFET-ov P in N, in vezjem samo s 4 N-kanalnimi MOSFET-ji.
Uporaba samo 4 N-kanalnih MOSFET-ov
V tej ureditvi je, če je visoko stransko stikalo zgrajeno s P-kanalnim MOSFET-om, zasnova gonilnika izjemno poenostavi postavitev, kot je prikazano spodaj:
Uporaba MOSFET-ov s P in N kanali
Potreba po zagonu polnilna črpalka je izključen za preklop visokega bočnega stikala Tukaj je to mogoče preprosto voditi neposredno z vhodnim signalom in skozi nivojski preklopnik (pretvornik 3V v 5V ali pretvornik stopnje 5V v 12V).
Izbira P-kanalnih MOSFET-jev za preklapljanje med aplikacijami
Tipično nizkonapetostni pogonski sistemi delujejo s preklopnimi frekvencami v območju od 10 do 50 kHz.
V teh območjih se skoraj vsa izguba moči MOSFET-a pojavi zaradi prevodnih izgub zaradi visokih tokovnih specifikacij motorja.
Zato je v takih omrežjih P-kanalni MOSFET z ustreznim RDS (vklopljeno)je treba izbrati za doseganje optimalne učinkovitosti.
To bi lahko razumeli tako, da razmišljamo o ponazoritvi 30-voltnega nizkonapetostnega pogona, ki deluje z 12V baterijo.
Za visokofrekvenčni MOSFET s P-kanalom imamo lahko na voljo nekaj možnosti - ena, ki ima enakovreden RDS (vklopljeno)primerljiv z nizkim bočnim N-kanalom, drugi pa ima primerljive polnilne naboje.
Spodnja tabela spodaj prikazuje komponente, ki se uporabljajo za polno mostni nizkonapetostni pogon s primerljivim RDS (vklopljeno)in z enakimi polnitvami vrat kot pri N-kanalnem MOSFET-u na spodnji strani.
Zgornja tabela, ki prikazuje izgube MOSFET-a v določeni aplikaciji, razkriva, da celotne izgube moči urejajo izgube prevodnosti, kot je dokazano v naslednjem tortnem diagramu.
Poleg tega se zdi, da če je prednostni P-kanalni MOSFET, ki ima primerljive polnilne napetosti kot pri N-kanalu, bodo preklopne izgube enake, vendar so prevodne izgube verjetno pretirano visoke.
Zato bi moral imeti pri nizkofrekvenčnih aplikacijah z nižjimi frekvencami visokofrekvenčni MOSFET s P-kanalom nujno primerljiv R DS (vklopljeno) kot pri spodnjem bočnem N-kanalu.
Neizolirana točka obremenitve (POL)
Neizolirana točka obremenitve je topologija pretvornika, na primer pri pretvornikih, kjer izhod ni ločen od vhoda, za razliko od flyback modeli kjer sta vhodna in izhodna stopnja popolnoma izolirani.
Za takšno neizolirano točko bremen z izhodno močjo manjšo od 10 W predstavlja eno največjih težav pri načrtovanju. Velikost mora biti minimalna, hkrati pa ohraniti zadovoljivo stopnjo učinkovitosti.
Eden od priljubljenih načinov za zmanjšanje velikosti pretvornika je uporaba N-kanalnega mosfet-a kot gonilnika visoke strani in povečanje delovne frekvence na bistveno višjo raven. Hitrejše preklapljanje omogoča uporabo veliko zmanjšane velikosti induktorja.
Schottky diode se pogosto uporabljajo za sinhrono rektifikacijo v teh vrstah vezij, vendar so MOSFET-i namesto tega nedvomno boljša možnost, saj je padec napetosti za MOSFET-je običajno bistveno nižji od diode.
Drug pristop, ki prihrani prostor, bi bil zamenjava visokofrekvenčnega MOSFET-a s P-kanalom.
Metoda P-kanala se znebi zapletenega dodatnega vezja za pogon vrat, kar postane potrebno za N-kanalni MOSFET na visoki strani.
Spodnji diagram prikazuje temeljno zasnovo pretvornika, ki ima na visoki strani P-kanalni MOSFET.
Običajno bodo preklopne frekvence v neizoliranih aplikacijah točke obremenitve verjetno blizu 500 kHz ali celo včasih do 2 MHz.
V nasprotju s prejšnjimi koncepti oblikovanja se izkaže, da so glavne izgube pri takih frekvencah preklopne izgube.
Spodnja slika prikazuje izgubo zaradi MOSFET-a v 3-vatni neizolirani aplikaciji Point of Load, ki deluje s preklopno frekvenco 1MHz.
Tako prikazuje raven napolnjenosti vrat, ki jo je treba določiti za P-kanal, ko je izbran za visoko stransko aplikacijo glede na visoko stransko N-kanalno napravo.
Zaključek
Uporaba P-kanalnega MOSFET-a nedvomno daje oblikovalcem prednosti v smislu manj zapletenih, bolj zanesljivih in izboljšanih konfiguracij.
To pomeni, da je pri dani vlogi kompromis med RDS (vklopljeno)in QGje treba resno oceniti med izbiro P-kanalnega MOSFET-a. To zagotavlja, da lahko p-kanal nudi optimalno zmogljivost, tako kot njegova različica n-kanala.
Vljudnost: Infineon
Prejšnji: Kako popraviti netopirje proti komarjem Naprej: Izdelava lastnega generatorja
