MOSFET z kanałem typu P w aplikacjach z mostkiem H.

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Wdrożenie tranzystorów MOSFET z kanałem P w obwodzie mostka H może wydawać się łatwe i kuszące, jednak może wymagać pewnych rygorystycznych obliczeń i parametrów w celu uzyskania optymalnej odpowiedzi.

Tranzystory MOSFET z kanałem P są zwykle implementowane do włączania / wyłączania obciążenia. Łatwość użycia opcji kanału P po stronie wysokiego napięcia sprawia, że ​​są one bardzo wygodne w zastosowaniach takich jak napędy niskonapięciowe (sieci mostków H) i nieizolowane punkty obciążenia (konwertery Buck) oraz w zastosowaniach, w których przestrzeń jest krytycznym ograniczeniem.



Główną zaletą tranzystora MOSFET z kanałem P jest ekonomiczna strategia sterowania bramką wokół wysokiego położenia przełącznika bocznego i ogólnie pomaga uczynić system bardzo opłacalnym.

W tym artykule omawiamy wykorzystanie tranzystorów MOSFET z kanałem P jako przełącznika strony wysokiego dla aplikacji z mostkiem H.



Kanał P a kanał N Zalety i wady

Gdy używany w aplikacji z wysokim przełącznikiem bocznym napięcie źródła N-kanałowego tranzystora MOSFET ma zwiększony potencjał względem ziemi.

Dlatego tutaj działanie N-kanałowego tranzystora MOSFET wymaga niezależnego sterownika bramki, takiego jak obwód ładowania początkowego lub układ obejmujący stopień transformatora impulsowego.

Te sterowniki wymagają oddzielnego źródła zasilania, podczas gdy obciążenie transformatora może czasami przejść przez niezgodne okoliczności.

Z drugiej strony może tak nie być w przypadku tranzystora MOSFET z kanałem P. Możesz łatwo sterować przełącznikiem strony wysokiego napięcia kanału P za pomocą zwykłego obwodu przesuwnika poziomu (zmieniacz poziomu napięcia). Osiągnięcie tego usprawnia obwód i skutecznie zmniejsza całkowity koszt.

To powiedziawszy, należy tutaj wziąć pod uwagę, że osiągnięcie identycznego R może być niezwykle trudneDS (wł.)wydajność dla tranzystora MOSFET z kanałem typu P w przeciwieństwie do kanału N wykorzystującego podobny wymiar chipa.

Ze względu na fakt, że przepływ nośników w kanale N jest około 2 do 3 razy większy niż w kanale P, dla dokładnie tego samego RDS (wł.)zakres urządzenia z kanałem P musi być 2 do 3 razy większy niż jego odpowiednik z kanałem N.

Większy rozmiar opakowania powoduje zmniejszenie tolerancji termicznej urządzenia z kanałem P, a także zwiększa jego obecne specyfikacje. Wpływa to również proporcjonalnie na jego dynamiczną skuteczność ze względu na zwiększony rozmiar obudowy.

Dlatego w zastosowaniach o niskiej częstotliwości, w których straty przewodzenia są zwykle wysokie, tranzystor MOSFET z kanałem P musi mieć RDS (wł.)odpowiadający kanałowi N. W takiej sytuacji wewnętrzny obszar tranzystora MOSFET kanału P powinien być większy niż obszar kanału N.

Ponadto w zastosowaniach o wysokiej częstotliwości, w których straty przełączania są zwykle wysokie, tranzystor MOSFET z kanałem P powinien mieć wartość opłat bramkowych porównywalną z kanałem N.

W takich przypadkach rozmiar tranzystora MOSFET z kanałem typu P mógłby być porównywalny z kanałem N, ale ze zmniejszoną specyfikacją prądu w porównaniu do alternatywy dla kanału N.

Dlatego też idealny tranzystor MOSFET z kanałem P należy wybrać ostrożnie, biorąc pod uwagę właściwy R.DS (wł.)i specyfikacje opłat za bramę.

Jak wybrać tranzystor MOSFET z kanałem P dla aplikacji

Istnieje wiele aplikacji przełączających, w których można skutecznie zastosować tranzystor MOSFET z kanałem P, na przykład napędy niskonapięciowe i nieizolowane punkty obciążenia.

W tego typu zastosowaniach kluczowymi wytycznymi regulującymi wybór tranzystora MOSFET jest zwykle odporność na włączenie urządzenia (R.DS (wł.)) i Szarża wrót (Qsol). Każda z tych zmiennych ma większe znaczenie w zależności od częstotliwości przełączania w aplikacji.

Do zastosowania w sieciach napędów niskonapięciowych, takich jak konfiguracja z pełnym mostem lub mostkiem B6 (mostek 3-fazowy), powszechnie stosowane są N-kanałowe tranzystory MOSFET z silnikiem (obciążenie) i zasilaniem DC.

Czynnikiem kompromitującym dla pozytywnych aspektów prezentowanych przez urządzenia z kanałem N jest większa złożoność konstrukcji sterownika bramki.

Sterownik bramki przełącznika bocznego z wysokim kanałem N wymaga a obwód bootstrap który wytwarza napięcie bramki większe niż szyna zasilania silnika lub alternatywnie niezależne źródło zasilania, aby go włączyć. Zwiększona złożoność projektu na ogół prowadzi do większych prac projektowych i większej powierzchni montażowej.

Poniższy rysunek przedstawia różnicę między obwodem zaprojektowanym przy użyciu komplementarnych tranzystorów MOSFET z kanałami P i N a obwodem z tylko 4 N-kanałowymi tranzystorami MOSFET.

Korzystanie tylko z 4 N-kanałowych tranzystorów MOSFET

W tym układzie, jeśli przełącznik strony z wysokim napięciem jest zbudowany z tranzystora MOSFET z kanałem P, konstrukcja sterownika ogromnie upraszcza układ., Jak pokazano poniżej:

Korzystanie z tranzystorów MOSFET z kanałem P i N.

Potrzeba bootstrapu Pompa zasilająca jest wyeliminowany przy przełączaniu przełącznika strony wysokiej. Tutaj można to po prostu sterować bezpośrednio sygnałem wejściowym i przełącznikiem poziomu (konwerter 3V na 5V lub stopień konwertera 5V na 12V).

Wybieranie tranzystorów MOSFET z kanałem P do przełączania aplikacji

Zazwyczaj niskonapięciowe układy napędowe pracują z częstotliwościami przełączania w zakresie od 10 do 50 kHz.

W tych zakresach prawie całe rozpraszanie mocy przez tranzystor MOSFET odbywa się za pośrednictwem strat przewodzenia, ze względu na wysokie parametry prądowe silnika.

Dlatego w takich sieciach tranzystor MOSFET z kanałem P z odpowiednim R.DS (wł.)należy dobrać tak, aby uzyskać optymalną wydajność.

Można to zrozumieć, rozważając ilustrację napędu niskonapięciowego 30 W zasilanego z akumulatora 12 V.

W przypadku tranzystora MOSFET z kanałem P o wysokiej stronie możemy mieć kilka opcji w ręku - jedną z równoważnym R.DS (wł.)porównywalny z kanałem N po stronie niskiej, a drugi ma porównywalne opłaty bramkowe.

Poniższa tabela przedstawia komponenty mające zastosowanie do napędu niskonapięciowego z pełnym mostkiem o porównywalnej wartości R.DS (wł.)i z identycznymi ładunkami bramki, jak w MOSFET z kanałem N po stronie low.

Powyższa tabela przedstawiająca straty MOSFET w konkretnym zastosowaniu pokazuje, że ogólne straty mocy zależą od strat przewodzenia, jak pokazano na poniższym wykresie kołowym.

Dodatkowo wygląda na to, że jeśli preferowany jest tranzystor MOSFET z kanałem P, mający porównywalne opłaty bramki jak w kanale N, straty przełączania będą identyczne, ale straty przewodzenia mogą być prawdopodobnie zbyt wysokie.

Dlatego w przypadku zastosowań z niskim przełączaniem i niższymi częstotliwościami tranzystor MOSFET z kanałem P po stronie wysokiej powinien mieć porównywalny współczynnik R DS (wł.) jak w przypadku niskiego kanału N.

Nieizolowany punkt obciążenia (POL)

Nieizolowany punkt obciążenia to topologia konwertera, taka jak w konwerterach buck, w których wyjście nie jest izolowane od wejścia, w przeciwieństwie do projekty flyback gdzie stopnie wejściowe i wyjściowe są całkowicie izolowane.

Dla takiego nieizolowanego punktu obciążenia małej mocy o mocy wyjściowej mniejszej niż 10 W, stanowi jedną z największych trudności projektowych. Wymiarowanie musi być absolutnym minimum przy jednoczesnym zachowaniu zadowalającego stopnia wydajności.

Jednym z popularnych sposobów zmniejszenia rozmiaru konwertera jest użycie N-kanałowego mosfetu jako sterownika strony wysokiej i zwiększenie częstotliwości roboczej do znacznie wyższego poziomu. Szybsze przełączanie pozwala na użycie znacznie zmniejszonego rozmiaru cewki indukcyjnej.

Diody Schottky'ego są często wdrażane do prostowania synchronicznego w tego typu obwodach, jednak zamiast tego tranzystory MOSFET są niewątpliwie lepszą opcją, ponieważ spadek napięcia dla tranzystorów MOSFET jest zwykle znacznie niższy niż diody.

Innym oszczędzającym miejsce podejściem byłoby zastąpienie tranzystora MOSFET z kanałem N z wysokim napięciem kanałem P.

Metoda kanału P eliminuje skomplikowane dodatkowe obwody sterujące bramką, co staje się konieczne dla N-kanałowego tranzystora MOSFET po stronie wysokiego napięcia.

Poniższy schemat przedstawia podstawową konstrukcję przetwornika buck z tranzystorem MOSFET z kanałem P zaimplementowanym po stronie wysokiej.

Zwykle częstotliwości przełączania w nieizolowanych aplikacjach punktu obciążenia będą prawdopodobnie bliskie 500 kHz, a nawet czasami nawet do 2 MHz.

W przeciwieństwie do wcześniejszych koncepcji projektowych, główne straty przy takich częstotliwościach okazują się być stratami przełączania.

Poniższy rysunek przedstawia straty z tranzystora MOSFET w nieizolowanej aplikacji punktu obciążenia o mocy 3 W, działającej z częstotliwością przełączania 1 MHz.

W ten sposób pokazuje poziom ładunku bramki, który musi być określony dla kanału P, gdy jest on wybrany do zastosowania po stronie wysokiego, w odniesieniu do urządzenia z kanałem N po stronie wysokiego.

Wniosek

Zastosowanie tranzystora MOSFET z kanałem P bez wątpienia zapewnia projektantom korzyści w postaci mniej skomplikowanej, bardziej niezawodnej i ulepszonej konfiguracji.

To powiedziawszy dla danej aplikacji, kompromis między R.DS (wł.)i Qsolnależy poważnie rozważyć przy wyborze tranzystora MOSFET z kanałem P. Ma to na celu zapewnienie, że kanał p jest w stanie zaoferować optymalną wydajność, podobnie jak jego wariant n-kanałowy.

Kurtuazja: Infineon




Poprzedni: Jak naprawić nietoperze przeciw komarom Dalej: Tworzenie generatora z własnym zasilaniem