MOSFET a canale P nelle applicazioni H-Bridge

MOSFET a canale P nelle applicazioni H-Bridge

L'implementazione di MOSFET a canale P in un circuito a ponte H può sembrare facile e allettante, tuttavia potrebbe richiedere calcoli e parametri rigorosi per ottenere una risposta ottimale.



I MOSFET a canale P sono generalmente implementati per la commutazione ON / OFF del carico. La facilità d'uso delle opzioni del canale P sul lato alto consente loro di essere molto convenienti per applicazioni come azionamenti a bassa tensione (reti H-Bridge) e punti di carico non isolati (convertitori buck) e in applicazioni in cui lo spazio è una limitazione critica.

Il vantaggio principale di un MOSFET a canale P è la strategia di azionamento del gate economica attorno alla posizione dell'interruttore sul lato alto e generalmente aiuta a rendere il sistema molto conveniente.





In questo articolo esploriamo l'uso dei MOSFET a canale P come interruttore high side per applicazioni H-Bridge

Pro e contro del canale P contro il canale N

quando utilizzato in un'applicazione con interruttore laterale alto la tensione sorgente di un MOSFET a canale N sembra essere a un potenziale maggiore rispetto alla massa.



Pertanto, qui il funzionamento di un MOSFET a canale N richiede un gate driver indipendente come un circuito di bootstrap, o una disposizione che coinvolge uno stadio di trasformatore di impulsi.

Questi driver richiedono una fonte di alimentazione separata, mentre il carico del trasformatore può occasionalmente attraversare circostanze incompatibili.

D'altra parte, questa potrebbe non essere la situazione con un MOSFET a canale P. È possibile pilotare facilmente un interruttore high side del canale P utilizzando un normale circuito del cambio di livello (variatore di livello di tensione). Il raggiungimento di questo semplifica il circuito e riduce efficacemente il costo complessivo.

Detto questo, il punto da prendere in considerazione qui è che può essere estremamente difficile ottenere l'identica RDS (attivo)efficienza per un MOSFET a canale P in contrasto con un canale N che utilizza la dimensione del chip simile.

A causa del fatto che il flusso delle portanti in un canale N è da 2 a 3 volte maggiore di quello di un canale P, per lo stesso identico RDS (attivo)portata il dispositivo a canale P deve essere da 2 a 3 volte più grande della sua controparte a canale N.

La dimensione del pacchetto più grande, fa diminuire la tolleranza termica del dispositivo a canale P e aumenta anche le sue specifiche attuali. Ciò influisce anche sulla sua efficacia dinamica in modo proporzionale a causa di una maggiore dimensione del case.

Pertanto, in un'applicazione a bassa frequenza in cui le perdite di conduzione tendono ad essere elevate, un MOSFET a canale P deve avere un RDS (attivo)corrispondente a quello di un canale N. In una tale situazione, la regione interna del MOSFET a canale P sarà più grande di quella del canale N.

Inoltre, nelle applicazioni ad alta frequenza in cui le perdite di commutazione sono solitamente elevate, un MOSFET a canale P dovrebbe possedere un valore di cariche di gate paragonabile a un canale N.

In casi come questo, la dimensione di un MOSFET a canale P potrebbe essere alla pari con il canale N ma con una specifica di corrente ridotta rispetto a un'alternativa a canale N.

Quindi, un MOSFET a canale P ideale deve essere scelto con cautela tenendo conto della corretta RDS (attivo)e specifiche della carica di gate.

Come selezionare un MOSFET a canale P per un'applicazione

Esistono numerose applicazioni di commutazione in cui un MOSFET a canale P può essere applicato efficacemente, ad esempio azionamenti a bassa tensione e punti di carico non isolati.

In questi tipi di applicazioni le linee guida cruciali che governano la scelta del MOSFET sono solitamente la resistenza ON del dispositivo (RDS (attivo)) e il Gate Charge (QG). Ognuna di queste variabili risulta essere di maggiore importanza in base alla frequenza di commutazione nell'applicazione.

Per l'applicazione in reti di azionamento a bassa tensione come la configurazione a ponte intero o ponte B6 (ponte trifase), i MOSFET a canale N sono comunemente utilizzati con motore (carico) e alimentazione CC.

Il fattore compromettente per gli aspetti positivi presentati dai dispositivi a canale N è la maggiore complessità nella progettazione del gate driver.

Un gate driver di un interruttore high side a canale N richiede a circuito bootstrap che crea una tensione di gate maggiore della barra di alimentazione della tensione del motore, o in alternativa un'alimentazione indipendente per accenderlo. Una maggiore complessità di progettazione generalmente porta a un maggiore lavoro di progettazione e ad un'area di assemblaggio più ampia.

La figura seguente mostra la differenza tra il circuito progettato utilizzando MOSFET a canale P e N complementari e il circuito con solo MOSFET a 4 canali N.

Utilizzando solo 4 MOSFET a canale N.

In questa disposizione, se l'interruttore high side è costruito con un MOSFET a canale P, il design del driver semplifica enormemente il layout., Come mostrato di seguito:

Utilizzo di MOSFET a canale P e N.

La necessità di un bootstrap pompa di carico viene eliminato per la commutazione dell'interruttore lato alto. Qui questo può essere semplicemente pilotato direttamente dal segnale di ingresso e attraverso un cambio di livello (convertitore da 3V a 5V o stadio convertitore da 5V a 12V).

Selezione di MOSFET a canale P per applicazioni di commutazione

In genere, i sistemi di azionamento a bassa tensione funzionano con frequenze di commutazione comprese tra 10 e 50 kHz.

In queste gamme, la quasi totalità della dissipazione di potenza del MOSFET avviene mediante perdite di conduzione, a causa delle elevate caratteristiche di corrente del motore.

Pertanto, in tali reti un MOSFET a canale P con R appropriatoDS (attivo)dovrebbe essere scelto per ottenere l'efficienza ottimale.

Ciò potrebbe essere compreso contemplando un'illustrazione di un azionamento a bassa tensione da 30 W azionato con una batteria da 12V.

Per un MOSFET a canale P high side potremmo avere un paio di opzioni in mano - una per avere un R equivalenteDS (attivo)paragonabile al canale N lato basso e l'altro per avere cariche di gate comparabili.

La tabella seguente mostra i componenti applicabili per il convertitore a bassa tensione a ponte intero con R comparabileDS (attivo)e con cariche di gate identiche a quelle del MOSFET a canale N sul lato basso.

La tabella sopra raffigurante le perdite MOSFET all'interno della particolare applicazione rivela che le perdite di potenza complessive sono regolate dalle perdite di conduzione come dimostrato nel seguente grafico a torta.

Inoltre, sembra che se si preferisce un MOSFET a canale P con cariche di gate comparabili a quelle del canale N, le perdite di commutazione saranno identiche, ma le perdite di conduzione potrebbero essere probabilmente eccessivamente elevate.

Pertanto, per applicazioni a bassa commutazione con frequenze più basse, il MOSFET a canale P high side dovrebbe avere una R paragonabile DS (attivo) come quello del canale N lato basso.

Punto di carico non isolato (POL)

Il punto di carico non isolato è una topologia di convertitore come nei convertitori buck in cui l'uscita non è isolata dall'ingresso, a differenza del disegni flyback dove gli stadi di ingresso e di uscita sono completamente isolati.

Per tali punti di carico non isolati a bassa potenza con potenza di uscita inferiore a 10W, presenta una delle maggiori difficoltà di progettazione. Il dimensionamento deve essere minimo pur mantenendo un soddisfacente grado di efficienza.

Un modo popolare per ridurre le dimensioni del convertitore è utilizzare il mosfet a canale N come driver high side e aumentare la frequenza operativa a un livello sostanzialmente più alto. La commutazione più rapida consente l'uso di una dimensione dell'induttore molto ridotta.

I diodi Schottky sono spesso implementati per la rettifica sincrona in questi tipi di circuiti, tuttavia i MOSFET invece sono senza dubbio un'opzione migliore poiché la caduta di tensione per i MOSFET è solitamente sostanzialmente inferiore a un diodo.

Un altro approccio salvaspazio sarebbe sostituire il MOSFET a canale N high-side con un canale P.

Il metodo del canale P elimina i complessi circuiti supplementari per pilotare il gate, che diventa necessario per un MOSFET a canale N sul lato alto.

Lo schema seguente mostra il design fondamentale di un convertitore buck con un MOSFET a canale P implementato sul lato alto.

Normalmente le frequenze di commutazione in applicazioni punto di carico non isolate saranno probabilmente vicine a 500kHz, o anche a volte fino a 2MHz.

Contraddicendo i concetti di progettazione precedenti, la perdita principale a tali frequenze risulta essere le perdite di commutazione.

La figura seguente indica la perdita da un MOSFET in un'applicazione punto di carico non isolata da 3 watt in esecuzione a una frequenza di commutazione di 1 MHz.

Quindi mostra il livello di carica di gate che deve essere specificato su un canale P quando è selezionato per un'applicazione lato alto, rispetto a un dispositivo a canale N lato alto.

Conclusione

L'applicazione di un MOSFET a canale P offre senza dubbio vantaggi ai progettisti in termini di configurazione meno complicata, più affidabile e migliorata.

Detto questo per una determinata applicazione, il compromesso tra RDS (attivo)e QGdovrebbe essere valutato seriamente durante la selezione di un MOSFET a canale P. Questo per garantire che il canale p sia in grado di offrire prestazioni ottimali proprio come la sua variante a canale n.

Cortesia: Infineon




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