P-Channel MOSFET in H-Bridge-toepassingen

Het implementeren van P-kanaal MOSFET's in een H-brugcircuit ziet er misschien gemakkelijk en aantrekkelijk uit, maar het kan enkele strenge berekeningen en parameters vereisen om een ​​optimale respons te bereiken.

P-kanaal MOSFET's worden meestal geïmplementeerd voor het AAN / UIT schakelen van de belasting. Door het gebruiksgemak van P-kanaalopties aan de hoge kant zijn ze erg handig voor toepassingen zoals laagspanningsaandrijvingen (H-brugnetwerken) en niet-geïsoleerde punt van belasting (Buck Converters) en in toepassingen waarin ruimte is een kritische beperking.

Het belangrijkste voordeel van een P-kanaal MOSFET is de economische poortaanstuurstrategie rond de hoge zijschakelaarpositie en helpt over het algemeen om het systeem zeer kosteneffectief te maken.

In dit artikel onderzoeken we het gebruik van P-kanaal MOSFET's als een hoge zijschakelaar voor H-Bridge-toepassingen

P-kanaal versus N-kanaal voor- en nadelen

Wanneer gebruikt in een hoge zijschakeltoepassing de bronspanning van een N-kanaals MOSFET heeft een verhoogd potentiaal ten opzichte van aarde.

Daarom vereist hier het bedienen van een N-kanaal MOSFET een onafhankelijke poortaansturing, zoals een bootstrapping-schakeling, of een opstelling die een pulstransformatortrap omvat.

Deze drivers vragen om een ​​aparte stroombron, terwijl de transformatorbelasting soms door onverenigbare omstandigheden kan gaan.

Aan de andere kant is dit misschien niet het geval met een P-kanaal MOSFET. U kunt eenvoudig een P-kanaal hoge zijschakelaar aansturen met behulp van een gewoon niveauverschuivingscircuit (spanningsniveau-wisselaar). Door dit te bereiken stroomlijnt het circuit en worden de allround kosten effectief verlaagd.

Dat gezegd hebbende, het punt waarmee hier rekening mee moet worden gehouden, is dat het buitengewoon moeilijk kan zijn om dezelfde R te bereiken_{DS (aan)}efficiëntie voor een P-kanaal MOSFET in tegenstelling tot een N-kanaal met dezelfde chipafmeting.

Doordat de stroom van de dragers in een N-kanaal ongeveer 2 tot 3 keer groter is dan die van een P-kanaal, is voor exact dezelfde R_{DS (aan)}bereik het P-kanaal apparaat moet 2 tot 3 keer groter zijn dan zijn N-kanaal tegenhanger.

De grotere pakketgrootte zorgt ervoor dat de thermische tolerantie van het P-kanaalapparaat afneemt en verhoogt ook de huidige specificaties. Dit heeft ook een evenredige invloed op de dynamische effectiviteit vanwege de grotere behuizing.

Daarom moet in een laagfrequente toepassing waarin de geleidingsverliezen vaak hoog zijn, een P-kanaal-MOSFET een R hebben_{DS (aan)}overeenkomend met dat van een N-kanaal. In een dergelijke situatie zal het interne gebied van de P-kanaal MOSFET groter zijn dan dat van het N-kanaal.

Bovendien moet in hoogfrequente toepassingen waar de schakelverliezen gewoonlijk hoog zijn, een P-kanaal MOSFET een waarde van poortladingen hebben die vergelijkbaar is met een N-kanaal.

In dergelijke gevallen zou een P-kanaal MOSFET-grootte vergelijkbaar kunnen zijn met een N-kanaal, maar met een lagere stroomspecificatie in vergelijking met een N-kanaals alternatief.

Daarom moet een ideale P-kanaal-MOSFET voorzichtig worden gekozen, rekening houdend met de juiste R_{DS (aan)}en poortlaadspecificaties.

Hoe u een P-kanaal MOSFET selecteert voor een toepassing

Er zijn tal van schakeltoepassingen waarbij een P-kanaal MOSFET effectief kan worden toegepast, bijvoorbeeld laagspanningsaandrijvingen en niet-geïsoleerde puntbelastingen.

In dit soort toepassingen zijn de cruciale richtlijnen voor de MOSFET-keuze meestal apparaat-ON-weerstand (R._{DS (aan)}) en de Gate Charge (Q_G​Elk van deze variabelen resulteert in een groter belang op basis van de schakelfrequentie in de toepassing.

Voor toepassing in laagspanningsaandrijvingsnetwerken zoals volledige brug of B6-brug (driefasige brug) configuratie worden de N-kanaals MOSFET's gewoonlijk gebruikt met motor (belasting) en een DC-voeding.

De compromitterende factor voor de positieve aspecten van N-kanaalapparaten is de grotere complexiteit in het ontwerp van de gate-driver.

Een gate-driver van een N-kanaals hoge zijschakelaar vereist een bootstrap-circuit die een poortspanning creëert die groter is dan de voedingsrail van de motorspanning, of afwisselend een onafhankelijke voeding om deze in te schakelen. Verhoogde ontwerpcomplexiteit leidt over het algemeen tot meer ontwerpwerk en een groter montageoppervlak.

De onderstaande afbeelding toont het verschil tussen het circuit dat is ontworpen met behulp van complementaire P- en N-kanaal MOSFET's en het circuit met alleen 4 N-kanaals MOSFET's.

Met slechts 4 N-kanaals MOSFETS

In deze opstelling, als de hoge zijschakelaar is gebouwd met een P-kanaal MOSFET, vereenvoudigt het ontwerp van de driver de lay-out enorm, zoals hieronder getoond:

Met behulp van P- en N-kanaals MOSFET's

De behoefte aan een bootstrapped laadpomp is geëlimineerd voor het schakelen van de hoge zijschakelaar. Hier kan dit simpelweg direct worden aangestuurd door het ingangssignaal en via een level shifter (3V naar 5V converter, of 5V naar 12V converter stage).

P-kanaal MOSFET's selecteren voor het wisselen van applicaties

Laagspanningsaandrijfsystemen werken doorgaans met schakelfrequenties in het bereik van 10 tot 50 kHz.

In deze bereiken vindt bijna alle MOSFET-vermogensdissipatie plaats door middel van geleidingsverliezen, vanwege de hoge stroomspecificaties van de motor.

Daarom is in dergelijke netwerken een P-kanaal MOSFET met de juiste R_{DS (aan)}moet worden gekozen om de optimale efficiëntie te bereiken.

Dit zou kunnen worden begrepen door een illustratie te beschouwen van een 30W laagspanningsaandrijving die werkt op een 12V-batterij.

Voor een hoge kant P-kanaal MOSFET hebben we misschien een aantal opties in de hand - een om een ​​gelijkwaardige R te hebben_{DS (aan)}vergelijkbaar met het lage N-kanaal aan de lage kant en de andere om vergelijkbare poortladingen te hebben.

De onderstaande tabel geeft de componenten weer die van toepassing zijn op de laagspanningsaandrijving met volledige brug met vergelijkbare R_{DS (aan)}en met identieke poortladingen als die van de N-kanaal MOSFET aan de lage kant.

De bovenstaande tabel die de MOSFET-verliezen binnen de specifieke toepassing weergeeft, laat zien dat de totale vermogensverliezen worden bepaald door de geleidingsverliezen, zoals bewezen in het volgende cirkeldiagram.

Bovendien lijkt het erop dat als P-kanaal MOSFET de voorkeur heeft met vergelijkbare poortladingen als die van het N-kanaal, de schakelverliezen identiek zullen zijn, maar de geleidingsverliezen kunnen waarschijnlijk buitensporig hoog zijn.

Daarom zou voor toepassingen met lage schakelingen met lagere frequenties de P-kanaal MOSFET aan de hoge kant een vergelijkbare R moeten hebben. _{DS (aan)} zoals dat van de lage kant N-kanaal.

Niet-geïsoleerd punt van belasting (POL)

Niet-geïsoleerd punt van belasting is een convertor-topologie zoals in buck-converters waarbij de uitvoer niet geïsoleerd is van de invoer, in tegenstelling tot de flyback ontwerpen waar de in- en uitgangstrappen volledig geïsoleerd zijn.

Voor dergelijke niet-geïsoleerde puntbelastingen met laag vermogen met een uitgangsvermogen van minder dan 10W, vormt dit een van de grootste ontwerpproblemen. De maatvoering moet een absoluut minimum zijn met behoud van een bevredigende mate van efficiëntie.

Een populaire manier om de grootte van de converter te verkleinen, is door N-kanaal mosfet te gebruiken als de high side driver, en de werkfrequentie te verhogen tot een aanzienlijk hoger niveau. Sneller schakelen maakt het gebruik van een sterk verkleinde inductor mogelijk.

Schottky-diodes worden vaak geïmplementeerd voor synchrone gelijkrichting in dit soort circuits, maar MOSFET's zijn in plaats daarvan ongetwijfeld een betere optie, aangezien de spanningsval voor MOSFET's meestal aanzienlijk lager is dan die van een diode.

Een andere ruimtebesparende benadering zou zijn om de hoge kant N-kanaal MOSFET te vervangen door een P-kanaal.

De P-kanaalmethode verwijdert de complexe aanvullende schakelingen om de poort aan te drijven, wat nodig wordt voor een N-kanaal MOSFET aan de hoge kant.

Het onderstaande diagram toont het fundamentele ontwerp van een buck-converter met een P-kanaal MOSFET geïmplementeerd aan de hoge kant.

Normaal gesproken zullen de schakelfrequenties in niet-geïsoleerde Point of Load-toepassingen waarschijnlijk dichtbij 500 kHz liggen, of soms zelfs zo hoog als 2 MHz.

In tegenstelling tot eerdere ontwerpconcepten, blijkt het belangrijkste verlies bij dergelijke frequenties de schakelverliezen te zijn.

De onderstaande afbeelding geeft het verlies weer van een MOSFET in een niet-geïsoleerde Point of Load-toepassing van 3 watt met een schakelfrequentie van 1 MHz.

Het toont dus het niveau van de poortlading dat moet worden gespecificeerd naar een P-kanaal wanneer het wordt geselecteerd voor een hoge zijtoepassing, met betrekking tot een hoge zij-N-kanaalapparaat.

Gevolgtrekking

Het toepassen van een P-channel MOSFET geeft u ongetwijfeld voordelen voor de ontwerpers in termen van minder gecompliceerde, betrouwbaardere en verbeterde configuratie.

Dat gezegd hebbende, voor een bepaalde toepassing, het compromis tussen R_{DS (aan)}en Q_Gmoet serieus worden geëvalueerd bij het selecteren van een P-kanaal MOSFET. Dit is om ervoor te zorgen dat het p-kanaal een optimale prestatie kan bieden, net als zijn n-kanaalvariant.

Hoffelijkheid: Infineon