H-Bridge Uygulamalarında P-Channel MOSFET

Bir H-köprü devresinde P-kanallı MOSFET'lerin uygulanması kolay ve çekici görünebilir, ancak optimum bir yanıt elde etmek için bazı sıkı hesaplamalar ve parametreler gerektirebilir.

P-kanal MOSFET'ler genellikle yük AÇIK / KAPALI anahtarlama için uygulanır. Yüksek taraftaki P-kanalı seçeneklerinin kullanım kolaylığı, bunların Düşük Voltajlı Sürücüler (H-Köprü Ağları) ve izole edilmemiş Yük Noktaları (Buck Dönüştürücüler) gibi uygulamalar için ve içinde bulunduğu uygulamalarda çok uygun olmalarını sağlar. alan kritik bir sınırlamadır.

Bir P-kanallı MOSFET'in temel faydası, yüksek yan anahtar konumu etrafında ekonomik kapı sürüş stratejisidir ve genellikle sistemi çok uygun maliyetli hale getirmeye yardımcı olur.

Bu makalede, H-Bridge uygulamaları için yüksek taraf anahtarı olarak P-kanallı MOSFET'lerin kullanımını araştırıyoruz.

P-kanalına karşı N-kanal Artıları ve Eksileri

Ne zaman yüksek taraf şalter uygulamasında kullanılır N-kanallı bir MOSFET'in kaynak voltajı, toprağa göre artan bir potansiyeldedir.

Bu nedenle, burada bir N-kanallı MOSFET'in çalıştırılması, bir önyükleme devresi gibi bağımsız bir kapı sürücüsü veya bir darbe transformatörü aşamasını içeren bir düzenleme gerektirir.

Bu sürücüler ayrı bir güç kaynağı talep ederken, trafo yükü bazen uyumsuz durumlardan geçebilir.

Öte yandan, P-kanallı MOSFET ile durum bu olmayabilir. Sıradan bir seviye değiştirici devresi (voltaj seviyesi değiştirici) kullanarak bir P-kanalı yüksek taraf anahtarını kolayca sürebilirsiniz. Bunu başarmak, devreyi düzene sokar ve genel maliyeti etkili bir şekilde azaltır.

Bunu söyledikten sonra, burada dikkate alınması gereken nokta, aynı R'yi elde etmenin son derece zor olabileceğidir._{DS (açık)}Benzer yonga boyutunu kullanan bir N kanalının aksine bir P-kanal MOSFET için verimlilik.

Bir N-kanalındaki taşıyıcıların akışının bir P-kanalındakinden yaklaşık 2 ila 3 kat daha fazla olması nedeniyle, aynı R için_{DS (açık)}P-kanal cihazının boyut olarak N-kanallı muadilinden 2 ila 3 kat daha büyük olması gerekir.

Daha büyük paket boyutu, P-kanal cihazının ısıl toleransının azalmasına neden olur ve ayrıca mevcut özelliklerini artırır. Bu aynı zamanda artan kasa boyutu nedeniyle dinamik etkinliğini orantılı olarak etkiler.

Bu nedenle, iletim kayıplarının yüksek olma eğiliminde olduğu düşük frekanslı bir uygulamada, bir P-kanallı MOSFET'in bir R'ye sahip olması gerekir._{DS (açık)}bir N-kanalına karşılık gelir. Böyle bir durumda, P-kanal MOSFET iç bölgesi, N-kanalınınkinden daha büyük olacaktır.

Ayrıca, anahtarlama kayıplarının genellikle yüksek olduğu yüksek frekanslı uygulamalarda, bir P-kanallı MOSFET, bir N-kanalı ile karşılaştırılabilir bir kapı ücretleri değerine sahip olmalıdır.

Bu gibi durumlarda, bir P-kanal MOSFET boyutu N-kanalı ile aynı seviyede olabilir, ancak bir N-kanal alternatifine kıyasla daha düşük bir akım spesifikasyonu ile.

Bu nedenle, ideal bir P kanalı MOSFET'in, uygun R değeri dikkate alınarak dikkatlice seçilmesi gerekir._{DS (açık)}ve kapı şarj özellikleri.

Bir uygulama için P-kanal MOSFET nasıl seçilir

Bir P-kanal MOSFET'in etkili bir şekilde uygulanabileceği çok sayıda anahtarlama uygulaması vardır, örneğin Düşük Voltajlı Sürücüler ve izole edilmemiş Yük Noktaları.

Bu tür uygulamalarda, MOSFET seçimini yöneten önemli kurallar genellikle cihaz AÇIK direncidir (R_{DS (açık)}) ve Kapı Ücreti (Q_G). Bu değişkenlerden herhangi biri, uygulamadaki anahtarlama frekansına bağlı olarak daha büyük önem taşımaktadır.

Tam köprü veya B6 köprü (3 fazlı köprü) konfigürasyonu gibi Düşük Voltajlı Sürücü ağlarında uygulama için N kanallı MOSFET'ler yaygın olarak kullanılır motor (Yük) ve DC beslemeli.

N-kanallı cihazların sunduğu olumlu yönler için ödün veren faktör, kapı sürücü tasarımındaki daha yüksek karmaşıklıktır.

Bir N-kanallı yüksek taraf anahtarının bir kapı sürücüsü, önyükleme devresi Bu, motor voltajı besleme rayından daha büyük bir geçit voltajı veya alternatif olarak onu açmak için bağımsız bir güç kaynağı oluşturur. Artan tasarım karmaşıklığı, genellikle daha büyük tasarım çalışmasına ve daha yüksek montaj alanına yol açar.

Aşağıdaki Şekil, tamamlayıcı P ve N Kanal MOSFET'leri kullanılarak tasarlanan devre ile yalnızca 4 N-kanallı MOSFET'li devre arasındaki farkı göstermektedir.

Yalnızca 4 N-kanallı MOSFET kullanarak

Bu düzenlemede, yüksek taraf anahtarı bir P-kanallı MOSFET ile oluşturulmuşsa, sürücü tasarımı düzeni muazzam bir şekilde basitleştirir., Aşağıda gösterildiği gibi:

P ve N-kanal MOSFET'leri kullanma

Bir önyükleme ihtiyacı şarj pompası yüksek taraf anahtarını değiştirmek için ortadan kaldırılmıştır. Burada bu, doğrudan giriş sinyali ve bir seviye değiştirici (3V ila 5V dönüştürücü veya 5V ila 12V dönüştürücü aşaması) aracılığıyla çalıştırılabilir.

Anahtarlama Uygulamaları için P-kanal MOSFET'leri Seçme

Tipik olarak Düşük voltajlı sürücü sistemleri, 10 ila 50 kHz aralığındaki anahtarlama frekanslarıyla çalışır.

Bu aralıklarda, MOSFET güç kaybının neredeyse tamamı, motorun yüksek akım özelliklerinden dolayı iletim kayıpları yoluyla gerçekleşir.

Bu nedenle, bu tür ağlarda uygun R'ye sahip bir P-kanal MOSFET_{DS (açık)}optimum verimi elde etmek için seçilmelidir.

Bu, 12V pil ile çalıştırılan 30W Düşük Voltajlı Sürücünün bir çizimi düşünülerek anlaşılabilir.

Yüksek tarafı P-kanallı MOSFET için elimizde birkaç seçeneğimiz olabilir - biri eşdeğer bir R'ye sahip olabilir._{DS (açık)}düşük taraf N-kanalı ile karşılaştırılabilir ve diğeriyle karşılaştırılabilir kapı ücretlerine sahip olması.

Aşağıdaki tablo, karşılaştırılabilir R değerine sahip tam köprü Düşük Gerilim Sürücü için geçerli bileşenleri göstermektedir._{DS (açık)}ve alçak taraftaki N-kanal MOSFET'inki ile aynı kapı ücretleri ile.

Belirli bir uygulamadaki MOSFET kayıplarını gösteren yukarıdaki tablo, genel güç kayıplarının aşağıdaki pasta grafiğinde kanıtlandığı gibi iletim kayıpları tarafından yönetildiğini ortaya koymaktadır.

Ek olarak, P-kanallı MOSFET'in, N-kanalınınki ile karşılaştırılabilir kapı ücretlerine sahip olması tercih edilirse, anahtarlama kayıpları aynı olacaktır, ancak iletim kayıpları muhtemelen aşırı derecede yüksek olabilir.

Bu nedenle, daha düşük frekanslı düşük anahtarlama uygulamaları için, yüksek taraf P-kanalı MOSFET'in büyük ölçüde karşılaştırılabilir bir R'ye sahip olması gerekir. _{DS (açık)} düşük taraf N kanalınınki gibi.

İzole Olmayan Yük Noktası (POL)

İzole edilmemiş Yük Noktası Noktası, çıktının girişten izole edilmediği, kovalı dönüştürücülerdeki gibi bir dönüştürücü topolojisidir. flyback tasarımları giriş ve çıkış aşamalarının tamamen izole edildiği yer.

10W'dan daha düşük çıkış gücüne sahip olan bu tür Düşük güçlü izole edilmemiş Yük Noktaları için, en büyük tasarım zorluklarından birini sunar. Tatmin edici bir verimlilik derecesini korurken boyutlandırma minimum düzeyde olmalıdır.

Dönüştürücü boyutunu azaltmanın popüler bir yolu, yüksek taraf sürücüsü olarak N-kanallı mosfet kullanmak ve çalışma frekansını önemli ölçüde daha yüksek seviyeye çıkarmaktır. Daha hızlı anahtarlama, çok daha küçültülmüş bir indüktör boyutunun kullanılmasına izin verir.

Schottky diyotları genellikle bu tür devrelerde eşzamanlı düzeltme için uygulanır, ancak MOSFET'ler için voltaj düşüşü genellikle bir diyottan önemli ölçüde daha düşük olduğu için MOSFET'ler şüphesiz daha iyi bir seçenektir.

Yer tasarrufu sağlayan başka bir yaklaşım, yüksek taraftaki N-kanallı MOSFET'in bir P-kanalı ile ikame edilmesi olacaktır.

P-kanal yöntemi, yüksek tarafta bir N-kanal MOSFET için gerekli hale gelen, geçidi sürmek için karmaşık tamamlayıcı devrelerden kurtulur.

Aşağıdaki diyagram, yüksek tarafta uygulanan bir P-kanallı MOSFET'e sahip bir kovalı dönüştürücünün temel tasarımını göstermektedir.

Normalde, izole edilmemiş Yük Noktası uygulamalarındaki anahtarlama frekansları muhtemelen 500 kHz'e yakın, hatta bazen 2 MHz'e kadar yüksek olacaktır.

Önceki tasarım konseptleriyle çelişen bu tür frekanslardaki ana kayıp, anahtarlama kayıpları olarak ortaya çıkıyor.

Aşağıdaki şekil, 1 MHz anahtarlama frekansında çalışan 3 watt'lık izole edilmemiş Yük Noktası uygulamasında bir MOSFET'ten kaynaklanan kaybı göstermektedir.

Bu nedenle, bir yüksek taraf N-kanal cihazına göre bir yüksek taraf uygulaması için seçildiğinde bir P kanalına belirtilmesi gereken kapı şarjı seviyesini gösterir.

Sonuç

P-kanallı bir MOSFET uygulamak şüphesiz tasarımcılara daha az karmaşık, daha güvenilir ve geliştirilmiş bir konfigürasyon açısından avantajlar sağlar.

Bununla birlikte, belirli bir uygulama için, R arasındaki uzlaşma_{DS (açık)}ve Q_Gbir P-kanal MOSFET seçerken ciddi şekilde değerlendirilmelidir. Bu, p-kanalının tıpkı n-kanallı varyantı gibi optimal bir performans sunabilmesini sağlamak içindir.

Nezaket: Infineon