Implementering av P-kanal MOSFET i en H-bryggkrets kan se lätt och lockande ut, men det kan kräva några strikta beräkningar och parametrar för att uppnå ett optimalt svar.

P-kanals MOSFETs implementeras vanligtvis för att slå på / stänga av last. Den enkla användningen av P-kanalalternativ på högsidan gör att de är mycket praktiska för applikationer som lågspänningsenheter (H-Bridge-nätverk) och icke-isolerade belastningspunkter (Buck Converters) och i applikationer där rymden är en kritisk begränsning.

Den viktigaste fördelen med en P-kanal MOSFET är den ekonomiska grindkörningsstrategin kring högsidans omkopplarposition och hjälper i allmänhet att göra systemet mycket kostnadseffektivt.

I den här artikeln undersöker vi användningen av P-kanals MOSFET som en högsidoswitch för H-Bridge-applikationer

P-kanal kontra N-kanal för- och nackdelar

När används i en högsidig switchapplikation källspänningen för en N-kanal MOSFET råkar ha en ökad potential med avseende på mark.

Därför kräver här drift av en N-kanal MOSFET en oberoende grinddrivare, såsom en bootstrapping-krets, eller ett arrangemang som involverar ett pulstransformatorsteg.

Dessa drivrutiner kräver en separat strömkälla, medan transformatorbelastningen ibland kan gå igenom oförenliga omständigheter.

“inklusive en helvågslikriktare i en ac ”

Å andra sidan kanske detta inte är situationen med en P-kanal MOSFET. Du kan enkelt köra en P-kanal högsidesbrytare med en vanlig nivåväxlarkrets (spänningsnivåväxlare). Att uppnå detta effektiviserar kretsen och minskar effektivt kostnaden för alla omgångar.

Med detta sagt är poängen som ska beaktas här att det kan vara extremt svårt att uppnå samma R_{DS (på)}effektivitet för en P-kanal MOSFET i motsats till en N-kanal som använder samma chipdimension.

På grund av det faktum att flödet av bärarna i en N-kanal är cirka 2 till 3 gånger större än för en P-kanal, för exakt samma R_{DS (på)}Räckvidden måste P-kanalanordningen vara 2 till 3 gånger större än sin N-kanals motsvarighet.

Den större förpackningsstorleken gör att P-kanalanordningens termiska tolerans minskar och ökar dess nuvarande specifikationer. Detta påverkar också dess dynamiska effektivitet proportionellt på grund av en ökad målstorlek.

Därför måste en P-kanal MOSFET i en lågfrekvent applikation i vilken ledningsförlusterna tenderar att vara höga ha en R_{DS (på)}motsvarande den för en N-kanal. I en sådan situation ska POS-kanalens MOSFET-interna region vara större än den för N-kanalen.

Vidare, i högfrekventa applikationer där omkopplingsförlusterna vanligtvis är höga, bör en P-kanal MOSFET ha ett värde på gate-laddningar som är jämförbara med en N-kanal.

I sådana fall kan en P-kanal MOSFET-storlek vara i nivå med N-kanalen men med en reducerad strömspecifikation jämfört med ett N-kanalalternativ.

Därför måste en idealisk P-kanal MOSFET väljas försiktigt med hänsyn till rätt R_{DS (på)}och specifikationer för portavgifter.

Hur man väljer en P-kanal MOSFET för en applikation

Det finns många kopplingsapplikationer där en P-kanal MOSFET kan användas effektivt, till exempel lågspänningsenheter och icke-isolerad belastningspunkt.

I dessa typer av applikationer är de viktigaste riktlinjerna för MOSFET-valet vanligtvis enhetens motstånd (R_{DS (på)}) och portavgiften (Q_G). Vilken som helst av dessa variabler resulterar i att ha större betydelse baserat på omkopplingsfrekvensen i applikationen.

För tillämpning i lågspänningsdrivnätverk som helbrygga eller B6-bryggkonfiguration (3-fasbrygga) används vanligtvis N-kanals MOSFET med motor (belastning) och likströmsförsörjning.

Den kompromissande faktorn för de positiva aspekterna som presenteras av N-kanalanordningar är den högre komplexiteten i portdrivardesignen.

En grindförare för en N-kanal högsidoswitch kräver en bootstrap-krets som skapar en grindspänning som är större än motorspänningsförsörjningsskenan, eller växelvis en oberoende strömförsörjning för att slå på den. Ökad designkomplexitet leder i allmänhet till större designarbete och högre monteringsyta.

Figuren nedan visar skillnaden mellan kretsen som är utformad med kompletterande P- och N-kanal MOSFET och kretsen med endast 4 N-kanal MOSFET.

Använd endast 4 N-kanals MOSFETS

I det här arrangemanget, om högsidoswitchen är byggd med en P-kanal MOSFET, förenar förardesignen layouten enormt, som visas nedan:

Använda P- och N-kanals MOSFET

Behovet av en bootstrapped laddningspump elimineras för omkoppling av högsidoswitch. Här kan detta helt enkelt drivas direkt av insignalen och genom en nivåväxlare (3V till 5V omvandlare eller 5V till 12V omvandlarsteg).

Välja P-kanal MOSFET för att byta applikation

Normalt fungerar lågspänningsdrivsystem med omkopplingsfrekvenser i intervallet 10 till 50 kHz.

I dessa intervall inträffar nästan hela MOSFET-effektförlusten med ledningsförluster på grund av motorns höga strömspecifikationer.

Därför i sådana nätverk en P-kanal MOSFET med lämplig R_{DS (på)}bör väljas för att uppnå optimal effektivitet.

Detta kan förstås genom att överväga en illustration av en 30W lågspänningsenhet som drivs med ett 12V batteri.

För en P-kanal MOSFET på hög sida kan vi ha ett par alternativ i handen - en för att ha en motsvarande R_{DS (på)}jämförbar med N-kanalens låga sida och den andra för att ha jämförbara grindladdningar.

Följande tabell nedan visar de komponenter som är tillämpliga för hela bryggans lågspänningsenhet med jämförbar R_{DS (på)}och med identiska grindladdningar som för N-kanal MOSFET på lågsidan.

Tabellen ovan som visar MOSFET-förlusterna inom den specifika applikationen avslöjar att de totala effektförlusterna styrs av ledningsförlusterna som bevisats i följande cirkeldiagram.

Dessutom ser det ut som om P-kanal MOSFET föredras med jämförbara grindladdningar som för N-kanalen, kommer omkopplingsförlusterna att vara identiska, men ledningsförlusterna kan förmodligen vara för höga.

Därför, för applikationer med låg omkoppling med lägre frekvenser, bör P-kanals MOSFET på hög sida galet ha en jämförbar R _{DS (på)} som N-kanalens låga sida.

Icke-isolerad lastpunkt (POL)

Icke-isolerad Load Point är en konverterartopologi som i buck-omvandlare där utdata inte är isolerad från ingången, till skillnad från flyback-mönster där ingångs- och utgångsstegen är helt isolerade.

För sådan lågeffekt icke-isolerad belastningspunkt med uteffekt lägre än 10W, är en av de största designproblemen. Storleksstorlek måste vara minimalt samtidigt som en tillfredsställande grad av effektivitet bevaras.

Ett populärt sätt att minska omvandlarstorleken är att använda N-kanal mosfet som drivrutin på hög sida och öka driftsfrekvensen till väsentligt högre nivå. Snabbare växling möjliggör användning av en mycket mindre skala.

Schottky-dioder implementeras ofta för synkron korrigering i dessa typer av kretsar men MOSFET är istället utan tvekan ett bättre alternativ eftersom spänningsfallet för MOSFETs vanligtvis är väsentligt lägre än en diod.

Ett annat utrymmesbesparande tillvägagångssätt skulle vara att ersätta N-kanals MOSFET på hög sida med en P-kanal.

P-kanalmetoden blir av med den komplicerade kompletterande kretsen för att driva grinden, vilket blir nödvändigt för en N-kanal MOSFET på högsidan.

Diagrammet nedan visar den grundläggande utformningen av en buck-omvandlare som har en P-kanal MOSFET implementerad på högsidan.

Normalt kommer omkopplingsfrekvenserna i oisolerade Point of Load-applikationer sannolikt att vara nära 500 kHz, eller till och med ibland så höga som upp till 2 MHz.

I motsats till de tidigare designkoncepten visar sig huvudförlusten vid sådana frekvenser vara omkopplingsförlusterna.

Bilden nedan visar förlusten från en MOSFET i en 3 watt icke-isolerad Point of Load-applikation som körs med en omkopplingsfrekvens på 1 MHz.

Således visar den nivån på grindladdningen som måste specificeras för en P-kanal när den väljs för en applikation på hög sida, med avseende på en N-kanalanordning på hög sida.

Slutsats

Att använda en P-kanal MOSFET ger dig utan tvekan designern fördelar när det gäller mindre komplicerade, mer pålitliga och en förbättrad konfiguration.

Som sagt för en given ansökan kompromissen mellan R_{DS (på)}och Q_Gbör utvärderas på allvar när du väljer en P-kanal MOSFET. Detta för att säkerställa att p-kanalen kan erbjuda en optimal prestanda precis som sin n-kanalvariant.