La implementació de MOSFET de canal P en un circuit de pont H pot semblar fàcil i atractiva, tot i que pot requerir uns càlculs i paràmetres estrictes per aconseguir una resposta òptima.
Els MOSFET de canal P generalment s’implementen per a la commutació ON / OFF de càrrega. La facilitat d’ús de les opcions de canal P a la banda alta els permet ser molt còmodes per a aplicacions com a unitats de baixa tensió (xarxes de pont H) i punts de càrrega no aïllats (convertidors Buck) i en aplicacions en què l’espai és una limitació crítica.
L’avantatge clau d’un MOSFET de canal P és l’estratègia econòmica de conducció de portes al voltant de la posició del commutador lateral alt i, en general, ajuda a fer que el sistema sigui molt rendible.
En aquest article explorem l’ús de MOSFET de canal P com a commutador lateral alt per a aplicacions de pont H.
Canal P en comparació amb els pros i els contres del canal N
Quan s’utilitza en una aplicació de commutador lateral alt el voltatge de la font d'un MOSFET de canal N passa a tenir un potencial augmentat respecte a terra.
Per tant, per operar un MOSFET de canal N es necessita un controlador de porta independent, com ara un circuit d’arrencada d’arrencada, o una disposició que impliqui una etapa de transformador d’impulsos.
Aquests controladors exigeixen una font d'alimentació independent, mentre que la càrrega del transformador pot passar ocasionalment per circumstàncies incompatibles.
D'altra banda, pot ser que això no passi amb un MOSFET de canal P. Podeu conduir fàcilment un interruptor lateral alt de canal P mitjançant un circuit de canvi de nivell normal (canviador de nivell de tensió). Aconseguir-ho racionalitza el circuit i disminueix efectivament el cost total.
Dit això, el punt que s’ha de tenir en compte aquí és que pot ser extremadament difícil assolir la R idènticaDS (activat)eficiència per a un MOSFET de canal P en contrast amb un canal N que utilitza la mateixa mida de xip.
A causa del fet que el flux de les portadores en un canal N és al voltant de 2 a 3 vegades més gran que el d’un canal P, per la mateixa R exactaDS (activat)El dispositiu de canal P ha de ser de 2 a 3 vegades més gran que el seu homòleg de canal N.
La mida més gran del paquet fa que disminueixi la tolerància tèrmica del dispositiu de canal P i augmenti les seves especificacions actuals. Això també afecta la seva efectivitat dinàmica proporcionalment a causa de l’augment de la mida del cas.
Per tant, en una aplicació de baixa freqüència en què les pèrdues per conducció tendeixen a ser elevades, un MOSFET de canal P ha de tenir un RDS (activat)corresponent a la d’un canal N. En aquesta situació, la regió interna MOSFET del canal P serà més gran que la del canal N.
A més, en aplicacions d'alta freqüència on les pèrdues de commutació solen ser elevades, un MOSFET de canal P hauria de tenir un valor de càrregues de porta comparable a un canal N.
En casos com aquest, una mida MOSFET de canal P podria estar al mateix nivell que el canal N, però amb una especificació de corrent reduïda en comparació amb una alternativa de canal N.
Per tant, cal escollir amb precaució un MOSFET de canal P ideal tenint en compte la R adequadaDS (activat)i especificacions de càrrega de portes.
Com seleccionar un MOSFET de canal P per a una aplicació
Hi ha nombroses aplicacions de commutació on es pot aplicar un MOSFET de canal P de manera efectiva, per exemple, unitats de baixa tensió i punts de càrrega no aïllats.
En aquest tipus d’aplicacions, les directrius crucials que regulen l’elecció del MOSFET solen ser resistència a l’EN dispositiu (RDS (activat)) i la càrrega de la porta (QG). Qualsevol d’aquestes variables resulta que té més importància en funció de la freqüència de commutació de l’aplicació.
Per aplicar a la configuració de xarxes de baix voltatge com la configuració de pont complet o pont B6 (pont trifàsic), s’utilitzen normalment els MOSFET de canal N amb motor (càrrega) i alimentació de CC.
El factor comprometedor dels aspectes positius que presenten els dispositius de canal N és la major complexitat en el disseny del controlador de porta.
Un controlador de porta d’un interruptor lateral alt de canal N requereix un circuit d’arrencada que crea una tensió de la porta més gran que el rail d'alimentació de la tensió del motor, o alternativament una font d'alimentació independent per encendre'l. L’augment de la complexitat del disseny sol conduir a un treball de disseny més gran i a una major àrea de muntatge.
La figura següent mostra la diferència entre el circuit dissenyat mitjançant MOSFET de canal P i N complementaris i el circuit amb només 4 MOSFET de canal N.
Utilitzant només 4 MOSFETS de canal N.
En aquest acord, si l’interruptor lateral alt està construït amb un MOSFET de canal P, el disseny del controlador simplifica enormement el disseny, tal com es mostra a continuació:
Utilitzant MOSFET de canal P i N.
La necessitat d’un bootstrapped bomba de càrrega s'elimina per canviar l'interruptor lateral alt. Aquí, això es pot accionar directament mitjançant el senyal d'entrada i mitjançant un canvi de nivell (convertidor de 3V a 5V o convertidor de 5V a 12V).
Selecció de MOSFET de canal P per canviar d'aplicacions
Normalment, els sistemes de transmissió de baixa tensió funcionen amb freqüències de commutació entre 10 i 50 kHz.
En aquests rangs, gairebé tota la dissipació d'energia del MOSFET es produeix mitjançant pèrdues de conducció, a causa de les altes especificacions de corrent del motor.
Per tant, en aquestes xarxes es realitza un MOSFET de canal P amb R adequatDS (activat)s’ha d’escollir per aconseguir una eficiència òptima.
Això es podria entendre contemplant una il·lustració d’una unitat de baixa tensió de 30W que funciona amb una bateria de 12V.
Per a un MOSFET de canal P lateral alt, és possible que tinguem a la mà un parell d’opcions: una per tenir un R equivalentDS (activat)comparable amb el canal N del costat baix i l’altre per tenir càrregues de porta comparables.
A la taula següent es mostren els components aplicables per a la unitat de baixa tensió de pont complet amb R comparableDS (activat)i amb càrregues de porta idèntiques a la del MOSFET de canal N a la part baixa.
La taula anterior que representa les pèrdues de MOSFET dins de l'aplicació particular revela que les pèrdues d'energia generals es regeixen per les pèrdues per conducció tal com es demostra al següent gràfic circular.
A més, sembla que si es prefereix MOSFET de canal P amb càrregues de porta comparables a les del canal N, les pèrdues de commutació seran idèntiques, però probablement les pèrdues per conducció siguin excessivament altes.
Per tant, per a aplicacions de commutació baixa amb freqüències més baixes, el MOSFET de canal P de costat alt hauria de tenir una R comparable DS (activat) com el del canal N del costat baix.
Punt de càrrega no aïllat (POL)
El punt de càrrega no aïllat és una topologia de convertidors, com ara els convertidors de buck, on la sortida no està aïllada de l'entrada, a diferència de dissenys flyback on les etapes d’entrada i sortida estan completament aïllades.
Per a aquest punt de càrrega no aïllat de baixa potència amb una potència de sortida inferior a 10W, presenta una de les dificultats de disseny més grans. El dimensionament ha de ser mínim, tot conservant un grau d’eficiència satisfactori.
Una manera popular de reduir la mida del convertidor és utilitzar el mosfet de canal N com a controlador lateral alt i augmentar la freqüència de funcionament fins a un nivell substancialment superior. El canvi més ràpid permet utilitzar una mida d’inductor molt reduïda.
Els díodes Schottky sovint s’implementen per a la rectificació síncrona en aquest tipus de circuits, però els MOSFET són, sens dubte, una opció millor, ja que la caiguda de tensió dels MOSFET sol ser substancialment inferior a un díode.
Un altre enfocament d’estalvi d’espai seria substituir el MOSFET de canal N del costat alt per un canal P.
El mètode del canal P elimina els complexos circuits complementaris per conduir la porta, cosa que es fa necessària per a un MOSFET de canal N a la part alta.
El diagrama següent mostra el disseny fonamental d’un convertidor de dòlars que té un MOSFET de canal P implementat a la banda alta.
Normalment, les freqüències de commutació en aplicacions de punt de càrrega no aïllades probablement seran properes a 500 kHz, o fins i tot en moments fins a 2 MHz.
En contradicció amb els conceptes de disseny anteriors, la pèrdua principal a aquestes freqüències resulta ser la pèrdua de commutació.
La figura següent indica la pèrdua d'un MOSFET en una aplicació de punt de càrrega no aïllada de 3 watts que funciona amb una freqüència de commutació d'1 MHz.
Per tant, mostra el nivell de càrrega de la porta que s’ha d’especificar a un canal P quan es selecciona per a una aplicació de costat alt, respecte d’un dispositiu de canal N de costat alt.
Conclusió
L’aplicació d’un MOSFET de canal P sens dubte us proporciona avantatges als dissenyadors en termes de configuració menys complicada, més fiable i millorada.
Dit això per a una aplicació determinada, el compromís entre RDS (activat)i QGs’hauria d’avaluar seriosament en seleccionar un MOSFET de canal P. Això és per garantir que el canal p sigui capaç d’oferir un rendiment òptim igual que la seva variant de canal n.
Cortesia: Infineon
Anterior: Com reparar els ratpenats de mosquits Següent: fabricació d’un generador autoalimentat
