Implementácia MOSFETov s kanálom P v obvode H-mosta môže vyzerať ľahko a lákavo, môže však vyžadovať niekoľko prísnych výpočtov a parametrov na dosiahnutie optimálnej odozvy.
P-kanálové MOSFETy sú zvyčajne implementované na prepínanie ON / OFF záťaže. Ľahko použiteľné možnosti kanálu P na vysokej strane umožňujú, aby boli veľmi vhodné pre aplikácie, ako sú nízkonapäťové pohony (siete H-Bridge) a neizolované body zaťaženia (prevodníky Buck) a v aplikáciách, v ktorých priestor je kritickým obmedzením.
Kľúčovou výhodou MOSFETu s kanálom P je ekonomická stratégia riadenia brány okolo polohy prepínača na vysokej strane a všeobecne prispieva k tomu, že je systém veľmi nákladovo efektívny.
V tomto článku sa venujeme použitiu MOSFETov s kanálom P ako vysoko kvalitného prepínača pre aplikácie H-Bridge
Výhody a nevýhody kanála P v porovnaní s kanálmi N
Kedy používa sa v aplikáciách vysokých bočných spínačov zdrojové napätie N-kanálového MOSFETu má zvýšené potenciály vzhľadom na zem.
Preto tu prevádzka N-kanálového MOSFET vyžaduje nezávislý budič brány, ako je bootstrapovací obvod, alebo usporiadanie zahrnujúce fázu impulzného transformátora.
Tieto ovládače vyžadujú samostatný zdroj energie, zatiaľ čo zaťaženie transformátora môže niekedy prechádzať nekompatibilnými okolnosťami.
Na druhej strane to nemusí byť situácia s P-kanálovým MOSFETom. Spínač vysokej strany kanálu P môžete ľahko ovládať pomocou bežného obvodu radiča úrovní (menič úrovne napätia). Dosiahnutie tohto cieľa zefektívni okruh a efektívne zníži celkové náklady.
Tu je potrebné vziať do úvahy, že dosiahnutie rovnakého R môže byť veľmi ťažkéDS (zapnuté)účinnosť pre P-kanál MOSFET na rozdiel od N-kanála využívajúceho podobný rozmer čipu.
Vzhľadom na skutočnosť, že tok nosných látok v N-kanáli je približne 2 až 3-krát väčší ako tok P-kanála, pre presne ten istý RDS (zapnuté)rozsah musí byť zariadenie s kanálom P 2 až 3-krát väčšie ako jeho náprotivok s N-kanálom.
Väčšia veľkosť balenia spôsobí zníženie tepelnej tolerancie zariadenia s kanálom P a tiež zvýši jeho súčasné technické parametre. To tiež úmerne ovplyvňuje jeho dynamickú účinnosť v dôsledku zväčšenej veľkosti prípadu.
Preto pri nízkofrekvenčných aplikáciách, v ktorých sú straty vedením obvykle vysoké, musí mať P-kanálový MOSFET RDS (zapnuté)zodpovedá kanálu N-kanála. V takejto situácii bude vnútorná oblasť MOSFET P-kanála väčšia ako oblasť N-kanála.
Ďalej vo vysokofrekvenčných aplikáciách, kde sú spínacie straty zvyčajne vysoké, by MOSFET s P-kanálom mal mať hodnotu hradlových poplatkov porovnateľnú s N-kanálom.
V takýchto prípadoch by veľkosť MOSFETu P-kanála mohla byť na rovnakej úrovni ako N-kanál, ale so zníženou špecifikáciou prúdu v porovnaní s alternatívou N-kanála.
Ideálny MOSFET s kanálom P je preto potrebné vyberať opatrne, berúc do úvahy správny RDS (zapnuté)a špecifikácie nabíjania brány.
Ako zvoliť MOSFET s kanálom P pre aplikáciu
Existuje mnoho spínacích aplikácií, kde je možné efektívne použiť P-kanálový MOSFET, napríklad nízkonapäťové pohony a neizolované body zaťaženia.
V týchto typoch aplikácií sú rozhodujúcimi usmerneniami, ktorými sa riadi výber MOSFET, obvykle odolnosť voči ZAP zariadenia (RDS (zapnuté)) a poplatok za bránu (QG). Výsledkom ktorejkoľvek z týchto premenných je väčší význam na základe spínacej frekvencie v aplikácii.
Pre použitie v sieťach nízkonapäťových pohonov, ako sú konfigurácie mostov s úplným mostom alebo mostov B6 (3-fázový mostík), sa bežne používajú M-kanály N-kanálu s motorom (záťaž) a jednosmerným napájaním.
Kompromisným faktorom pre pozitívne aspekty, ktoré prezentujú zariadenia s N-kanálom, je vyššia zložitosť konštrukcie brány.
Ovládač brány N-kanálového spínača na vysokej strane vyžaduje a bootstrapový obvod ktorý vytvára hradlové napätie väčšie ako napájacia lišta motora alebo striedavo samostatný napájací zdroj na jeho zapnutie. Zvýšená zložitosť návrhu vo všeobecnosti vedie k väčšej projektovej práci a väčšej montážnej ploche.
Obrázok nižšie ukazuje rozdiel medzi obvodom navrhnutým pomocou komplementárnych M a MOSFETov s kanálom P a N a obvodom iba so 4 M-kanálmi M-FOS.
Používa sa iba 4 N-kanálové MOSFETY
V tomto usporiadaní, ak je prepínač na vysokej strane zostavený s P-kanálovým MOSFET, konštrukcia budiča ohromne zjednodušuje rozloženie., Ako je uvedené nižšie:
Používanie P a N-kanálových MOSFETov
Potreba bootstrapu nabíjacie čerpadlo je vylúčený pre prepínanie horného bočného spínača. Tu sa to dá jednoducho riadiť priamo vstupným signálom a prostredníctvom radiča úrovne (prevodník 3V na 5V alebo stupeň prevodníka 5V na 12V).
Výber MOSFETov s kanálom P na prepínanie aplikácií
Typicky nízkonapäťové pohonné systémy pracujú so spínacími frekvenciami v rozsahu 10 až 50kHz.
V týchto rozsahoch takmer všetok stratový výkon MOSFET nastáva prostredníctvom strát vodivosti z dôvodu vysokých prúdových špecifikácií motora.
Preto v takýchto sieťach P-kanálový MOSFET s príslušným RDS (zapnuté)by sa malo zvoliť na dosiahnutie optimálnej účinnosti.
To by sa dalo pochopiť uvažovaním o ilustrácii 30W nízkonapäťového pohonu napájaného z 12V batérie.
Pre vysoko výkonný P-kanál MOSFET môžeme mať v ruke niekoľko možností - jednu s ekvivalentným RDS (zapnuté)porovnateľné s nízkym bočným N-kanálom a iné, aby mali porovnateľné hradlové poplatky.
Nasledujúca tabuľka nižšie zobrazuje komponenty použiteľné pre nízkonapäťový pohon s úplným mostom, ktoré majú porovnateľné RDS (zapnuté)a s identickými hradlovými nábojmi ako N-kanálový MOSFET na spodnej strane.
Vyššie uvedená tabuľka zobrazujúca straty MOSFET v konkrétnej aplikácii ukazuje, že celkové straty výkonu sú riadené stratami vedením, ako je dokázané v nasledujúcom koláčovom grafe.
Ďalej to vyzerá, že ak je preferovaný P-kanál MOSFET, ktorý má porovnateľné hradlové náboje ako N-kanály, straty pri prepínaní budú identické, ale straty pri vedení môžu byť pravdepodobne príliš vysoké.
Preto pre aplikácie s nízkym spínaním s nižšími frekvenciami by vysokofrekvenčný P-kanál MOSFET mal mať madatoricky porovnateľný R DS (zapnuté) ako je to pri nízkom bočnom N-kanáli.
Neizolovaný bod zaťaženia (POL)
Neizolovaný bod zaťaženia je topológia prevodníka, napríklad v prevodníkoch buck, kde výstup nie je izolovaný od vstupu, na rozdiel od flyback vzory kde sú vstupné a výstupné stupne úplne izolované.
Pre taký neizolovaný bod zaťaženia s nízkym výkonom, ktorý má výstupný výkon nižší ako 10 W, predstavuje jednu z najväčších konštrukčných ťažkostí. Dimenzovanie musí byť minimálne, pri zachovaní uspokojivého stupňa účinnosti.
Jedným z populárnych spôsobov, ako zmenšiť veľkosť prevodníka, je použitie mosfetu s N-kanálom ako ovládača vyššej strany a zvýšenie prevádzkovej frekvencie na podstatne vyššiu úroveň. Rýchlejšie prepínanie umožňuje použitie značne zmenšenej veľkosti induktora.
Schottkyho diódy sa v týchto typoch obvodov často implementujú na synchrónne usmerňovanie, avšak MOSFET sú nepochybne lepšou voľbou, pretože pokles napätia pre MOSFET je zvyčajne podstatne nižší ako dióda.
Ďalším prístupom, ktorý šetrí priestor, by bolo nahradiť MOSFET N-kanála na vysokej strane P-kanálom.
Metóda P-kanála sa zbavuje zložitých doplnkových obvodov na riadenie brány, ktoré sú nevyhnutné pre N-kanálový MOSFET na vysokej strane.
Nasledujúci diagram demonštruje základný návrh prevodníka buck, ktorý má na vysokej strane implementovaný P-kanálový MOSFET.
Normálne budú spínacie frekvencie v neizolovaných aplikáciách typu Point of Load blízke 500kHz, alebo dokonca niekedy až do 2MHz.
V rozpore s predchádzajúcimi koncepciami návrhu sa ukazuje, že hlavnou stratou pri takýchto frekvenciách sú straty pri prepínaní.
Obrázok nižšie ukazuje stratu z MOSFET v 3 wattovej neizolovanej aplikácii Point of Load bežiacej pri spínacej frekvencii 1 MHz.
Ukazuje teda úroveň hradlového náboja, ktorá musí byť špecifikovaná pre P kanál, keď je vybraný pre aplikáciu na vysokej strane, vzhľadom na zariadenie na vysokej strane N-kanála.
Záver
Aplikácia MOSFETu s kanálom P vám bezpochyby dáva dizajnérom výhody v podobe menej komplikovanejšej, spoľahlivejšej a vylepšenej konfigurácie.
To znamená pre danú aplikáciu kompromis medzi R.DS (zapnuté)a QGby sa malo pri výbere P-kanálového MOSFET-u vážne zvážiť. To zaisťuje, že p-kanál je schopný ponúknuť optimálny výkon rovnako ako jeho n-kanálový variant.
Zdvorilosť: Infineon
Dvojica: Ako opraviť netopiere na roztrieštenie komárov Ďalej: Výroba generátora s vlastným pohonom
