P-kanavan MOSFET H-Bridge -sovelluksissa

P-kanavan MOSFET-laitteiden käyttöönotto H-siltapiirissä voi näyttää helpolta ja houkuttelevalta, mutta se voi vaatia joitain tiukkoja laskelmia ja parametreja optimaalisen vasteen saavuttamiseksi.

P-kanavan MOSFETit toteutetaan yleensä kuorman PÄÄLLE / POIS kytkemistä varten. P-kanavavaihtoehtojen helppokäyttöisyys korkealla puolella antaa niiden olla erittäin kätevä sovelluksissa, kuten matalajänniteasemat (H-Bridge Networks) ja eristämättömät kuormituspisteet (Buck Converter), ja sovelluksissa, joissa tila on kriittinen rajoitus.

P-kanavan MOSFETin tärkein etu on taloudellinen porttiohjausstrategia korkean sivukytkimen asennon ympärillä ja auttaa yleensä tekemään järjestelmästä erittäin kustannustehokkaan.

Tässä artikkelissa tutkitaan P-kanavan MOSFET-laitteiden käyttöä korkeakatkaisimena H-Bridge-sovelluksissa

P-kanava vs. N-kanava Plussat ja miinukset

Kun käytetään korkean sivukytkimen sovelluksissa N-kanavan MOSFETin lähdejännite sattuu olemaan lisääntyneessä potentiaalissa maan suhteen.

Siksi tässä N-kanavan MOSFET: n käyttö vaatii itsenäisen porttiohjaimen, kuten käynnistyspiirin, tai järjestelyn, johon kuuluu pulssimuuntajan vaihe.

Nämä ohjaimet vaativat erillisen virtalähteen, kun taas muuntajan kuormitus voi toisinaan käydä yhteensopimattomissa olosuhteissa.

Toisaalta tämä ei välttämättä ole tilanne P-kanavan MOSFETin kanssa. P-kanavan korkean sivukytkimen voi ajaa helposti käyttämällä tavallista tasonvaihtajapiiriä (jännitetasonvaihtaja). Tämän saavuttaminen virtaviivaistaa virtapiiriä ja vähentää kokonaiskustannuksia.

Tästä huolimatta tässä yhteydessä on otettava huomioon se, että saman R: n saavuttaminen voi olla erittäin vaikeaa_{DS (päällä)}tehokkuus P-kanavaiselle MOSFET: lle, toisin kuin N-kanava, joka käyttää samanlaista sirumittaa.

Johtuen siitä, että kantoaineiden virtaus N-kanavassa on noin 2-3 kertaa suurempi kuin P-kanavan, täsmälleen samalla R_{DS (päällä)}P-kanavan laitteen on oltava kooltaan 2-3 kertaa suurempi kuin N-kanavan vastaava.

Suurempi pakkauskoko aiheuttaa P-kanavalaitteen lämpötoleranssin pienenemisen ja lisää myös sen nykyisiä spesifikaatioita. Tämä vaikuttaa myös sen dynaamiseen tehokkuuteen suhteellisen suuren koon vuoksi.

Siksi matalataajuisissa sovelluksissa, joissa johtohäviöt ovat yleensä suuria, P-kanavan MOSFETillä on oltava R_{DS (päällä)}vastaa N-kanavan kanavaa. Tällaisessa tilanteessa P-kanavan MOSFET-sisäisen alueen on oltava suurempi kuin N-kanavan.

Lisäksi suurtaajuissovelluksissa, joissa kytkentähäviöt ovat yleensä suuria, P-kanavan MOSFETillä tulisi olla N-kanavaan verrattava porttimaksujen arvo.

Tällaisissa tapauksissa P-kanavan MOSFET-koko voisi olla yhtä suuri kuin N-kanava, mutta pienemmällä virtaspesifikaatiolla verrattuna N-kanavan vaihtoehtoiseen.

Siksi ihanteellinen P-kanavan MOSFET on valittava varovasti ottaen huomioon oikea R_{DS (päällä)}ja porttimaksuerittelyt.

Kuinka valita P-kanavan MOSFET sovellukselle

On olemassa lukuisia kytkentäsovelluksia, joissa P-kanavan MOSFET-sovellusta voidaan käyttää tehokkaasti, esimerkiksi pienjännitekäyttöjä ja eristämättömiä kuormituspisteitä.

Tämän tyyppisissä sovelluksissa MOSFET-valintaa ohjaavat ratkaisevat ohjeet ovat yleensä laitteen ON-resistanssi (R_{DS (päällä)}) ja porttimaksu (Q_G). Mikä tahansa näistä muuttujista johtaa suurempaan merkitykseen sovelluksen kytkentätaajuuden perusteella.

N-kanavan MOSFET-laitteita käytetään yleisesti pienjänniteverkkoverkoissa, kuten täyssilta- tai B6-silta (3-vaiheinen silta). moottorilla (kuorma) ja tasavirtalähteellä.

N-kanavaisten laitteiden positiivisten näkökohtien kompromissitekijä on porttiohjaimen suunnittelun monimutkaisuus.

N-kanavan korkean sivukytkimen porttiohjain vaatii a bootstrap-piiri joka luo hilajännitteen, joka on suurempi kuin moottorin jännitesyöttökisko, tai vuorotellen itsenäisen virtalähteen sen kytkemiseksi. Suunnittelun monimutkaisuus johtaa yleensä suurempaan suunnittelutyöhön ja kokoonpanopinta-alaan.

Alla oleva kuva osoittaa eron piirin välillä, joka on suunniteltu käyttämällä täydentäviä P- ja N-kanavia MOSFET-laitteita, ja piirin välillä, jossa on vain 4 N-kanavan MOSFET-moduulia.

Käytä vain 4 N-kanavan MOSFET-laitetta

Tässä järjestelyssä, jos korkea sivukytkin on rakennettu P-kanavaisella MOSFET: llä, kuljettajan suunnittelu yksinkertaistaa asettelua valtavasti., Kuten alla on esitetty:

P- ja N-kanavien MOSFETien käyttö

Tarve bootstrapped latauspumppu on poistettu korkean sivukytkimen kytkemistä varten. Täällä tämä voidaan yksinkertaisesti ohjata suoraan tulosignaalilla ja tasosiirtimen kautta (3 V - 5 V muunnin tai 5 V - 12 V muunninvaihe).

P-kanavan MOSFETien valinta sovellusten vaihtamista varten

Pienjännitekäyttöjärjestelmät toimivat tyypillisesti kytkentätaajuuksilla 10-50 kHz.

Näillä alueilla melkein kaikki MOSFET-tehohäviöt tapahtuvat johtohäviöiden avulla moottorin korkeiden virtamääritysten vuoksi.

Siksi tällaisissa verkoissa P-kanavainen MOSFET, jolla on asianmukainen R_{DS (päällä)}tulisi valita optimaalisen tehokkuuden saavuttamiseksi.

Tämä voidaan ymmärtää tarkastelemalla kuvaa 30 W: n matalajännitekäytöstä, jota käytetään 12 V: n akulla.

Korkean puolen P-kanavan MOSFET: llä meillä voi olla pari vaihtoehtoa kädessä - yksi, jolla on vastaava R_{DS (päällä)}verrattavissa matalan sivun N-kanavaan ja toiseen, jotta niillä olisi verrattavissa olevat porttimaksut.

Seuraava taulukko näyttää komponentit, joita voidaan soveltaa täyssillan pienjännitekäyttöön, jonka R on vertailukelpoinen_{DS (päällä)}ja samoilla porttimaksuilla kuin N-kanavan MOSFETin matalalla puolella.

Yllä oleva taulukko, joka kuvaa MOSFET-häviöitä tietyssä sovelluksessa, paljastaa, että kokonaistehohäviöitä säätelevät johtohäviöt, jotka on osoitettu seuraavassa ympyräkaaviossa.

Lisäksi näyttää siltä, ​​että jos P-kanavainen MOSFET on edullinen, ja sillä on verrattavissa porttimaksut kuin N-kanavalla, kytkentähäviöt ovat identtiset, mutta johtohäviöt saattavat todennäköisesti olla liian suuria.

Siksi matalakytkentäisissä sovelluksissa, joissa on matalat taajuudet, korkean sivun P-kanavan MOSFET: llä pitäisi olla ajoittain verrattavissa oleva R _{DS (päällä)} kuten matalan sivun N-kanavan.

Eristämätön kuormituspiste (POL)

Eristämätön kuormituspiste on muuntimen topologia, kuten buck-muuntimissa, joissa lähtö ei ole eristetty tulosta, toisin kuin flyback-mallit jossa tulo- ja lähtövaiheet ovat täysin eristettyjä.

Tällaisille pienitehoisille eristämättömille kuormituspisteille, joiden lähtöteho on alle 10 W, on yksi suurimmista suunnitteluvaikeuksista. Mitoituksen on oltava vähimmäismäärä säilyttäen samalla tyydyttävä tehokkuus.

Yksi suosittu tapa pienentää muuntimen kokoa on käyttää N-kanavan mosfetiä korkean sivun ohjaimena ja nostaa toimintataajuus huomattavasti korkeammalle tasolle. Nopeampi kytkentä mahdollistaa paljon pienennetyn kelan koon käytön.

Schottky-diodit toteutetaan usein synkronista tasasuuntaa varten tämän tyyppisissä piireissä, mutta MOSFETit sen sijaan ovat epäilemättä parempi vaihtoehto, koska MOSFET-laitteiden jännitehäviö on yleensä huomattavasti pienempi kuin diodi.

Toinen tilaa säästävä lähestymistapa olisi korvata korkean puolen N-kanavainen MOSFET P-kanavalla.

P-kanavamenetelmä poistaa portin käyttämisen monimutkaisesta lisäpiiristä, mikä on välttämätöntä N-kanavan MOSFETille korkealla puolella.

Alla oleva kaavio osoittaa buck-muuntimen perusrakenteen, jossa P-kanavainen MOSFET on toteutettu korkealla puolella.

Normaalisti kytkentätaajuudet eristämättömissä Point of Load -sovelluksissa ovat todennäköisesti lähellä 500 kHz tai jopa toisinaan jopa 2 MHz.

Aikaisempien suunnittelukonseptien vastaisesti päähäviö näillä taajuuksilla osoittautuu kytkentähäviöiksi.

Alla oleva kuva osoittaa häviön MOSFETistä 3 watin eristämättömässä kuormituskohdassa, joka toimii 1 MHz: n kytkentätaajuudella.

Siten se näyttää porttitason tason, joka on määriteltävä P-kanavalle, kun se valitaan korkean sivun sovellukselle, korkean puolen N-kanavan laitteeseen nähden.

Johtopäätös

P-kanavan MOSFETin käyttö antaa epäilemättä suunnittelijoille etuja vähemmän monimutkaisesta, luotettavammasta ja parannetusta kokoonpanosta.

Tämä sanoi tietylle sovellukselle R: n välisen kompromissin_{DS (päällä)}ja Q_Gtulisi arvioida vakavasti, kun valitaan P-kanavainen MOSFET. Näin varmistetaan, että p-kanava pystyy tarjoamaan optimaalisen suorituskyvyn kuten n-kanavamuunnos.

Kohteliaisuus: Infineon