МОП-транзистор с каналом P в приложениях с H-мостом

Внедрение P-канальных MOSFET в схему H-моста может показаться простым и заманчивым, однако для достижения оптимального отклика могут потребоваться некоторые строгие вычисления и параметры.

P-канальные MOSFET обычно используются для включения / выключения нагрузки. Простота использования опций P-канала на верхней стороне позволяет им быть очень удобными для таких приложений, как низковольтные приводы (сети H-Bridge) и неизолированные точки нагрузки (понижающие преобразователи), а также в приложениях, в которых пространство - критическое ограничение.

Ключевым преимуществом P-канального MOSFET является экономичная стратегия управления затвором вокруг высокого положения переключателя, что в целом помогает сделать систему очень рентабельной.

В этой статье мы исследуем использование полевых МОП-транзисторов с P-каналом в качестве переключателя высокого уровня для приложений H-Bridge.

P-канал в сравнении с N-каналом Плюсы и минусы

Когда используется в приложении высокого бокового переключателя напряжение источника N-канального MOSFET имеет повышенный потенциал по отношению к земле.

Следовательно, здесь для работы N-канального MOSFET требуется независимый драйвер затвора, такой как схема самонастройки или устройство, включающее каскад импульсного трансформатора.

Эти драйверы требуют отдельного источника питания, в то время как нагрузка трансформатора может иногда работать в несовместимых условиях.

С другой стороны, это может быть не ситуация с P-канальным MOSFET. Вы можете легко управлять переключателем высокого уровня P-канала, используя обычную схему переключения уровня (переключатель уровня напряжения). Достижение этого упрощает схему и эффективно снижает общие затраты.

Сказав это, здесь следует принять во внимание то, что может быть чрезвычайно трудно достичь идентичного R_{DS (вкл.)}эффективность для P-канального MOSFET в отличие от N-канала с аналогичным размером кристалла.

Из-за того, что поток несущих в N-канале примерно в 2-3 раза больше, чем в P-канале, для того же самого R_{DS (вкл.)}Диапазон P-канального устройства должен быть в 2–3 раза больше, чем его N-канальный аналог.

Чем больше размер корпуса, тем меньше термостойкость P-канального устройства, а также увеличиваются его текущие характеристики. Это также пропорционально влияет на его динамическую эффективность из-за увеличенного размера корпуса.

Следовательно, в низкочастотном приложении, в котором потери проводимости, как правило, высоки, P-канальный MOSFET должен иметь R_{DS (вкл.)}что соответствует N-каналу. В такой ситуации внутренняя область P-канального MOSFET должна быть больше, чем у N-канала.

Более того, в высокочастотных приложениях, где потери на переключение обычно высоки, P-канальный MOSFET должен иметь значение заряда затвора, сравнимое с N-каналом.

В подобных случаях размер P-канального MOSFET может быть на одном уровне с N-каналом, но с меньшей текущей спецификацией по сравнению с альтернативой с N-каналом.

Следовательно, идеальный МОП-транзистор с P-каналом должен быть осторожно выбран с учетом правильного R_{DS (вкл.)}и спецификации платы за затвор.

Как выбрать P-канальный MOSFET для приложения

Существует множество коммутационных приложений, в которых можно эффективно применять P-канальный MOSFET, например, низковольтные приводы и неизолированные точки нагрузки.

В приложениях такого типа решающими принципами, определяющими выбор полевого МОП-транзистора, обычно являются сопротивление устройства в открытом состоянии (R_{DS (вкл.)}) и Заряд ворот (Q_грамм). Любая из этих переменных имеет большее значение в зависимости от частоты переключения в приложении.

Для применения в сетях низковольтных приводов, таких как полномостовая или B6-мостовая (3-фазная мостовая) конфигурация, обычно используются N-канальные MOSFET. с двигателем (Нагрузка) и источником постоянного тока.

Фактором компромисса для положительных аспектов, представленных N-канальными устройствами, является более высокая сложность конструкции драйвера затвора.

Драйвер затвора N-канального переключателя высокого уровня требует схема начальной загрузки который создает напряжение на затворе больше, чем напряжение питания двигателя, или, альтернативно, независимый источник питания для его включения. Повышенная сложность конструкции обычно приводит к увеличению объема проектных работ и увеличению площади сборки.

На рисунке ниже показано различие между схемой, разработанной с использованием дополнительных полевых МОП-транзисторов с каналом P и N, и схемой только с 4 полевыми МОП-транзисторами с N-каналом.

Использование только 4 N-канальных МОП-транзисторов

В этой компоновке, если переключатель верхнего плеча построен с P-канальным MOSFET, конструкция драйвера значительно упрощает компоновку, как показано ниже:

Использование P- и N-канальных МОП-транзисторов

Потребность в загрузке зарядный насос исключен для переключения переключателя на стороне высокого давления. Здесь это может просто управляться непосредственно входным сигналом и через переключатель уровня (преобразователь 3 В в 5 В или каскад преобразователя 5 В в 12 В).

Выбор P-канальных MOSFET для коммутации приложений

Обычно низковольтные приводные системы работают с частотами переключения в диапазоне от 10 до 50 кГц.

В этих диапазонах почти вся рассеиваемая мощность полевого МОП-транзистора происходит за счет потерь проводимости из-за высоких токовых характеристик двигателя.

Следовательно, в таких сетях P-канальный MOSFET с соответствующим R_{DS (вкл.)}следует выбирать для достижения оптимальной эффективности.

Это можно понять, рассмотрев иллюстрацию низковольтного привода мощностью 30 Вт, работающего от батареи 12 В.

Для полевого МОП-транзистора с P-каналом высокого уровня у нас может быть несколько вариантов - один для эквивалентного R_{DS (вкл.)}сравнимо с N-каналом низкого уровня, а другой имеет сопоставимые заряды затвора.

В следующей таблице показаны компоненты, применимые к полному мостовому низковольтному приводу, имеющему сопоставимые R_{DS (вкл.)}и с таким же зарядом затвора, что и у N-канального MOSFET на нижней стороне.

Приведенная выше таблица, изображающая потери MOSFET в конкретном приложении, показывает, что общие потери мощности зависят от потерь проводимости, как показано на следующей круговой диаграмме.

Кроме того, похоже, что если предпочтительнее использовать P-канальный MOSFET, имеющий сравнимые заряды затвора с затвором N-канала, потери переключения будут идентичными, но потери проводимости, вероятно, могут быть чрезмерно высокими.

Следовательно, для приложений с низкой коммутацией и более низкими частотами полевой МОП-транзистор с P-каналом верхнего плеча должен обязательно иметь сопоставимый R _{DS (вкл.)} как у нижнего N-канала.

Неизолированная точка нагрузки (POL)

Неизолированная точка нагрузки - это топология преобразователя, такая как в понижающих преобразователях, где выход не изолирован от входа, в отличие от обратный дизайн где входной и выходной каскады полностью изолированы.

Для такой маломощной неизолированной точки нагрузки, имеющей выходную мощность менее 10 Вт, возникает одна из самых больших трудностей при проектировании. Размеры должны быть минимальными при сохранении удовлетворительной степени эффективности.

Одним из популярных способов уменьшить размер преобразователя является использование N-канального МОП-транзистора в качестве драйвера высокого напряжения и повышение рабочей частоты до существенно более высокого уровня. Более быстрое переключение позволяет использовать индуктивность гораздо меньшего размера.

Диоды Шоттки часто используются для синхронного выпрямления в этих типах схем, однако полевые МОП-транзисторы, несомненно, являются лучшим вариантом, поскольку падение напряжения для полевых МОП-транзисторов обычно значительно ниже, чем у диодов.

Другой подход, позволяющий сэкономить место, - это замена N-канального MOSFET верхнего плеча на P-канал.

Метод P-канала избавляется от сложной дополнительной схемы для управления затвором, которая становится необходимой для N-канального MOSFET на стороне высокого напряжения.

Схема ниже демонстрирует принципиальную конструкцию понижающего преобразователя, имеющего P-канальный MOSFET, реализованный на стороне высокого напряжения.

Обычно частоты коммутации в неизолированных точках нагрузки, вероятно, будут близки к 500 кГц или даже иногда выше 2 МГц.

Вопреки более ранним концепциям проектирования, основные потери на таких частотах оказываются коммутационными потерями.

На рисунке ниже показаны потери на полевом МОП-транзисторе в неизолированной точке нагрузки мощностью 3 Вт, работающей с частотой переключения 1 МГц.

Таким образом, он показывает уровень заряда затвора, который должен быть указан для P-канала, когда он выбран для приложения с высокой стороной, по сравнению с N-канальным устройством высокой стороны.

Вывод

Применение P-канального MOSFET, несомненно, дает разработчикам преимущества с точки зрения менее сложной, более надежной и улучшенной конфигурации.

При этом для данного приложения компромисс между R_{DS (вкл.)}и Q_граммследует серьезно оценить при выборе P-канального MOSFET. Это необходимо для того, чтобы p-канал мог обеспечивать оптимальную производительность, как и его n-канальный вариант.

Учтивость: Infineon