P-kanaliga MOSFET H-Bridge rakendustes

P-kanaliga MOSFET-ide rakendamine H-silla vooluringis võib tunduda lihtne ja ahvatlev, kuid optimaalse reaktsiooni saavutamiseks võib see vajada mõningaid rangeid arvutusi ja parameetreid.

P-kanaliga MOSFETid rakendatakse tavaliselt koormuse sisse / välja lülitamiseks. P-kanalite suvandite kasutusmugavus kõrgel küljel võimaldab neil olla väga mugav selliste rakenduste jaoks nagu madalpinge ajamid (H-Bridge Networks) ja isoleerimata koormuspunktid (Buck Converter) ja rakendustes, kus ruum on kriitiline piirang.

P-kanaliga MOSFETi peamine eelis on ökonoomne värava juhtimisstrateegia ümber kõrge külgmise lüliti positsiooni ja aitab süsteemi üldjuhul muuta väga tasuvaks.

Selles artiklis uurime P-kanaliga MOSFETide kasutamist kõrgel küljelülitina H-Bridge rakenduste jaoks

P-kanal versus N-kanaliga plussid ja miinused

Millal kasutatakse kõrgel küljelüliti rakenduses N-kanaliga MOSFET-i lähtekoha pinge on maapinna suhtes suurenenud.

Seetõttu nõuab N-kanaliga MOSFET-i käitamine sõltumatut väravajuhti, näiteks alglaadimisahelat või impulsstrafo astet hõlmavat seadet.

Need draiverid nõuavad eraldi toiteallikat, samas kui trafo koormus võib mõnikord läbida kokkusobimatuid asjaolusid.

Teiselt poolt ei pruugi see P-kanaliga MOSFETi puhul nii olla. P-kanaliga kõrgel küljelülitit saate hõlpsalt juhtida tavalise nivooregulaatori (pingetaseme muutja) abil. Selle saavutamine muudab vooluringi sujuvamaks ja vähendab tõhusalt kulusid.

Seda silmas pidades tuleb siinkohal arvestada, et identset R-d on väga raske saavutada_{DS (sees)}P-kanaliga MOSFET-i efektiivsus erinevalt N-kanalist, mis kasutab sarnast kiibimõõtet.

Tulenevalt asjaolust, et kandjate vool N-kanalil on umbes 2–3 korda suurem kui P-kanalil, täpselt sama R_{DS (sees)}P-kanaliga seade peab olema 2–3 korda suurem kui N-kanaliga analoog.

Suurem pakendi suurus vähendab P-kanaliga seadme soojustolerantsust ja suurendab ka selle praeguseid spetsifikatsioone. See mõjutab ka selle dünaamilist efektiivsust proportsionaalselt juhtumite suuruse suurenemise tõttu.

Seetõttu peab madala sagedusega rakendustes, kus juhtivuskaod kipuvad olema suured, P-kanaliga MOSFET-il olema R_{DS (sees)}vastab N-kanali omale. Sellises olukorras peab P-kanali MOSFET-i sisepiirkond olema suurem kui N-kanali oma.

Lisaks peaks kõrgsageduslikes rakendustes, kus lülituskaod on tavaliselt suured, P-kanaliga MOSFET-il olema N-kanaliga võrreldav väravatasude väärtus.

Sellistel juhtudel võib P-kanaliga MOSFET-i suurus olla võrdne N-kanaliga, kuid vähendatud voolu spetsifikatsiooniga võrreldes N-kanali alternatiiviga.

Seega tuleb ideaalset P-kanaliga MOSFET-i valida ettevaatlikult, võttes arvesse õiget R-d_{DS (sees)}ja värava laadimise spetsifikatsioonid.

Kuidas valida rakendusele P-kanaliga MOSFET

On palju lülitusrakendusi, kus P-kanaliga MOSFET-i saab tõhusalt rakendada, näiteks madalpinge ajamid ja isoleerimata koormuspunktid.

Seda tüüpi rakendustes on MOSFET-i valikut reguleerivad olulised juhised tavaliselt seadme sisselülitamise takistus (R_{DS (sees)}) ja väravatasu (Q_G). Mis tahes neist muutujatest on rakenduse lülitussageduse põhjal suurem tähtsus.

Madalpinge ajamivõrkudes, näiteks täissilla või B6 silla (3-faasiline sild) konfiguratsioonis rakendamiseks kasutatakse tavaliselt N-kanaliga MOSFET-e mootori (koormus) ja alalisvooluallikaga.

N-kanaliga seadmete positiivsete aspektide kompromiteeriv tegur on väravajuhi disaini suurem keerukus.

N-kanaliga kõrge külgmise lüliti väravajuht nõuab a alglaadimisahel see loob värava pinge, mis on suurem kui mootori toiteallikas, või selle sisselülitamiseks vaheldumisi sõltumatu toiteallika. Suurenenud disaini keerukus toob tavaliselt kaasa suurema projekteerimistöö ja suurema montaažipinna.

Alljärgnev joonis näitab erinevust täiendavate P- ja N-kanalitega MOSFET-ide abil loodud vooluahelas ja ainult 4 N-kanaliga MOSFET-ga vooluahelas.

Kasutades ainult 4 N-kanaliga MOSFET-i

Kui kõrgel küljelüliti on ehitatud P-kanaliga MOSFETiga, lihtsustab draiveri kujundus selles paigutus paigutust tohutult. Nagu allpool näidatud:

P- ja N-kanaliga MOSFETide kasutamine

Vajadus bootstrapped laadimispump on välistatud kõrgel küljelüliti vahetamiseks. Siin saab seda lihtsalt juhtida otse sisendsignaali abil ja nivoorihutiga (3 V kuni 5 V muundur või 5 V kuni 12 V muundur).

Rakenduste vahetamiseks P-kanaliliste MOSFETide valimine

Tavaliselt töötavad madalpinge ajamsüsteemid lülitussagedustega vahemikus 10 kuni 50 kHz.

Nendes vahemikes toimub peaaegu kogu MOSFETi võimsuse hajumine juhtivuskaodega mootori kõrgete voolutingimuste tõttu.

Seetõttu on sellistes võrkudes P-kanaliga MOSFET sobiva R-ga_{DS (sees)}optimaalse efektiivsuse saavutamiseks tuleks valida

Seda võiks mõista, mõeldes 30 V madalpinge ajami illustreerimisele 12 V akuga.

Kõrge P-kanaliga MOSFET-i jaoks võib meil olla paar võimalust - üks, millel on samaväärne R_{DS (sees)}madalama küljega N-kanaliga ja teise võrguga võrreldavad väravatasud.

Järgmises tabelis on toodud võrreldava R-ga täissilla madalpinge ajami komponendid_{DS (sees)}ja identsete väravatasudega nagu madalamal asuva N-kanaliga MOSFET.

Ülaltoodud tabel, mis kujutab konkreetse rakenduse MOSFET-kaod, näitab, et üldist võimsuskadu reguleerivad juhtivuskaod, nagu on tõestatud järgmisel sektordiagrammil.

Lisaks näib, et kui eelistatakse P-kanali MOSFET-i, millel on võrreldavad väravatasud kui N-kanalil, on lülituskaod identsed, kuid juhtivuskaod võivad tõenäoliselt olla liiga suured.

Seetõttu peaks madalama sagedusega madalakommutatsiooniliste rakenduste korral olema kõrgel küljel P-kanaliga MOSFETil võrreldav R _{DS (sees)} nagu madala küljega N-kanalil.

Eraldamata koormuspunkt (POL)

Isoleerimata koormuste punkt on muunduri topoloogia, näiteks buck-muundurites, kus väljund ei ole sisendist eraldatud, erinevalt flyback kujundused kus sisendi ja väljundi etapid on täielikult isoleeritud.

Selliste väikese võimsusega isoleerimata koormuspunktide puhul, mille väljundvõimsus on alla 10 W, on see üks suurimaid projekteerimisraskusi. Suurus peab olema minimaalne, säilitades samal ajal rahuldava tõhususe.

Üks populaarne viis muunduri suuruse vähendamiseks on N-kanaliga mosfeti kasutamine kõrge külgjuhina ja töösageduse suurendamine oluliselt kõrgemale tasemele. Kiirem ümberlülitamine võimaldab kasutada palju vähendatud induktiivpooli suurust.

Schottky dioodid rakendatakse seda tüüpi ahelates sageli sünkroonseks alaldamiseks, kuid MOSFETid on selle asemel kahtlemata parem valik, kuna MOSFET-ide pingelang on tavaliselt oluliselt madalam kui diood.

Teine ruumisäästlik lähenemisviis oleks kõrgel küljel asuva N-kanaliga MOSFET asendamine P-kanaliga.

P-kanaliga meetod vabaneb värava juhtimiseks keerukatest lisalülitustest, mis on vajalik kõrgel küljel asuva N-kanaliga MOSFETi jaoks.

Allpool olev diagramm näitab P-kanaliga MOSFET-i kõrgel küljel rakendatud muunduri põhimõttelist konstruktsiooni.

Tavaliselt on isoleerimata koormuspunkti rakenduste lülitussagedused tõenäoliselt lähedal 500 kHz või isegi kohati kuni 2 MHz.

Varasemate kujunduskontseptsioonidega vastuolus osutub selliste sageduste peamine kaotus lülituskaodeks.

Alloleval joonisel on kujutatud kaotus MOSFET-ist 3-vatise isoleerimata koormuspunkti rakenduses, mis töötab lülitussagedusel 1MHz.

Seega näitab see värava laetuse taset, mis tuleb P-kanalile täpsustada, kui see on valitud suure külgmise rakenduse jaoks, võrreldes suure küljega N-kanaliga seadmega.

Järeldus

P-kanaliga MOSFET-i rakendamine annab disaineritele kahtlemata eeliseid vähem keeruka, töökindla ja täiustatud konfiguratsiooni osas.

See ütles antud rakenduse puhul kompromiss R vahel_{DS (sees)}ja Q_GP-kanaliga MOSFETi valimisel tuleks tõsiselt hinnata. Selle eesmärk on tagada, et p-kanal suudaks pakkuda optimaalset jõudlust nagu tema n-kanaliga variant.

Viisakus: Infineon