Das Implementieren von P-Kanal-MOSFETs in einer H-Brückenschaltung mag einfach und verlockend aussehen, erfordert jedoch möglicherweise einige strenge Berechnungen und Parameter, um eine optimale Antwort zu erzielen.
P-Kanal-MOSFETs werden normalerweise zum Ein- und Ausschalten der Last implementiert. Die einfache Bedienung der P-Kanal-Optionen auf der hohen Seite ermöglicht eine sehr praktische Anwendung für Anwendungen wie Niederspannungsantriebe (H-Brückennetzwerke) und nicht isolierte Lastpunkte (Buck-Wandler) sowie für Anwendungen, bei denen Platz ist eine kritische Einschränkung.
Der Hauptvorteil eines P-Kanal-MOSFET ist die wirtschaftliche Gate-Ansteuerungsstrategie um die High-Side-Schalterposition und trägt im Allgemeinen dazu bei, das System sehr kostengünstig zu machen.
In diesem Artikel untersuchen wir die Verwendung von P-Kanal-MOSFETs als High-Side-Switch für H-Bridge-Anwendungen
P-Kanal versus N-Kanal Vor- und Nachteile
Wann wird in einer High-Side-Switch-Anwendung verwendet Die Quellenspannung eines N-Kanal-MOSFET liegt zufällig in Bezug auf Masse auf einem erhöhten Potential.
Daher erfordert der Betrieb eines N-Kanal-MOSFET hier einen unabhängigen Gate-Treiber wie eine Bootstrapping-Schaltung oder eine Anordnung mit einer Impulstransformatorstufe.
Diese Treiber erfordern eine separate Stromquelle, während die Transformatorlast gelegentlich inkompatible Umstände durchlaufen kann.
Andererseits ist dies bei einem P-Kanal-MOSFET möglicherweise nicht der Fall. Sie können einen P-Kanal-High-Side-Schalter einfach mit einem normalen Pegelumsetzer (Spannungspegelwechsler) ansteuern. Dadurch wird die Schaltung rationalisiert und die Gesamtkosten effektiv gesenkt.
Der hier zu berücksichtigende Punkt ist jedoch, dass es äußerst schwierig sein kann, das identische R zu erreichenDS (ein)Effizienz für einen P-Kanal-MOSFET im Gegensatz zu einem N-Kanal mit ähnlicher Chipdimension.
Aufgrund der Tatsache, dass der Fluss der Ladungsträger in einem N-Kanal bei genau demselben R etwa zwei- bis dreimal so groß ist wie der eines P-KanalsDS (ein)Reichweite Das P-Kanal-Gerät muss zwei- bis dreimal so groß sein wie sein N-Kanal-Gegenstück.
Die größere Gehäusegröße bewirkt, dass die thermische Toleranz des P-Kanal-Geräts abnimmt und auch seine aktuellen Spezifikationen erhöht. Dies wirkt sich aufgrund einer vergrößerten Fallgröße auch proportional auf die dynamische Wirksamkeit aus.
Daher muss in einer Niederfrequenzanwendung, in der die Leitungsverluste tendenziell hoch sind, ein P-Kanal-MOSFET ein R aufweisenDS (ein)entsprechend dem eines N-Kanals. In einer solchen Situation muss der interne Bereich des P-Kanal-MOSFET größer sein als der des N-Kanals.
Darüber hinaus sollte in Hochfrequenzanwendungen, in denen die Schaltverluste normalerweise hoch sind, ein P-Kanal-MOSFET einen Wert von Gateladungen besitzen, der mit einem N-Kanal vergleichbar ist.
In solchen Fällen könnte eine P-Kanal-MOSFET-Größe mit der N-Kanal-Größe vergleichbar sein, jedoch mit einer im Vergleich zu einer N-Kanal-Alternative reduzierten Stromspezifikation.
Daher muss ein idealer P-Kanal-MOSFET unter Berücksichtigung des richtigen R vorsichtig ausgewählt werdenDS (ein)und Gate-Ladungsspezifikationen.
So wählen Sie einen P-Kanal-MOSFET für eine Anwendung aus
Es gibt zahlreiche Schaltanwendungen, bei denen ein P-Kanal-MOSFET effektiv angewendet werden kann, beispielsweise Niederspannungsantriebe und nicht isolierte Lastpunkte.
Bei diesen Arten von Anwendungen sind die entscheidenden Richtlinien für die Wahl des MOSFET normalerweise der Einschaltwiderstand des Geräts (R.DS (ein)) und die Gate Charge (Q.G). Jede dieser Variablen ist aufgrund der Schaltfrequenz in der Anwendung von größerer Bedeutung.
Für die Anwendung in Niederspannungs-Antriebsnetzwerken wie Vollbrücken- oder B6-Brücken-Konfigurationen (3-Phasen-Brücken) werden üblicherweise N-Kanal-MOSFETs verwendet mit Motor (Last) und Gleichstromversorgung.
Der Kompromissfaktor für die positiven Aspekte von N-Kanal-Geräten ist die höhere Komplexität im Gate-Treiber-Design.
Ein Gate-Treiber eines N-Kanal-High-Side-Schalters fordert a Bootstrap-Schaltung Dadurch wird eine Gate-Spannung erzeugt, die größer als die Motorspannungsversorgungsschiene ist, oder alternativ eine unabhängige Stromversorgung, um sie einzuschalten. Eine erhöhte Konstruktionskomplexität führt im Allgemeinen zu einer größeren Konstruktionsarbeit und einer größeren Montagefläche.
Die folgende Abbildung zeigt den Unterschied zwischen der Schaltung, die mit komplementären P- und N-Kanal-MOSFETs konstruiert wurde, und der Schaltung mit nur 4 N-Kanal-MOSFETs.
Verwenden Sie nur 4 N-Kanal-MOSFETs
Wenn in dieser Anordnung der High-Side-Schalter mit einem P-Kanal-MOSFET aufgebaut ist, vereinfacht das Treiberdesign das Layout erheblich, wie unten gezeigt:
Verwendung von P- und N-Kanal-MOSFETs
Die Notwendigkeit eines Bootstrap Ladungspumpe wird zum Schalten des High-Side-Schalters eliminiert. Hier kann dies einfach direkt durch das Eingangssignal und über einen Pegelumsetzer (3V zu 5V Wandler oder 5V zu 12V Wandlerstufe) angesteuert werden.
Auswahl von P-Kanal-MOSFETs zum Schalten von Anwendungen
Typischerweise arbeiten Niederspannungsantriebssysteme mit Schaltfrequenzen im Bereich von 10 bis 50 kHz.
In diesen Bereichen erfolgt die gesamte Verlustleistung des MOSFET aufgrund der hohen Stromspezifikationen des Motors durch Leitungsverluste.
Daher ist in solchen Netzwerken ein P-Kanal-MOSFET mit geeignetem R.DS (ein)sollte gewählt werden, um die optimale Effizienz zu erreichen.
Dies könnte verstanden werden, indem eine Darstellung eines 30-W-Niederspannungsantriebs betrachtet wird, der mit einer 12-V-Batterie betrieben wird.
Für einen High-Side-P-Kanal-MOSFET haben wir möglicherweise einige Optionen zur Hand - eine mit einem äquivalenten R.DS (ein)vergleichbar mit dem Low-Side-N-Kanal und dem anderen, um vergleichbare Gate-Ladungen zu haben.
In der folgenden Tabelle sind die Komponenten aufgeführt, die für den Vollbrücken-Niederspannungsantrieb mit vergleichbarem R geltenDS (ein)und mit identischen Gateladungen wie die des N-Kanal-MOSFET auf der niedrigen Seite.
Die obige Tabelle, die die MOSFET-Verluste innerhalb der jeweiligen Anwendung darstellt, zeigt, dass die Gesamtleistungsverluste durch die Leitungsverluste bestimmt werden, wie im folgenden Kreisdiagramm gezeigt.
Außerdem sieht es so aus, als ob P-Kanal-MOSFET mit vergleichbaren Gateladungen wie der N-Kanal bevorzugt wird, die Schaltverluste sind identisch, aber die Leitungsverluste können wahrscheinlich übermäßig hoch sein.
Daher sollte für niedrigschaltende Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen der hochseitige P-Kanal-MOSFET madatorisch ein vergleichbares R haben DS (ein) wie der des Low-Side-N-Kanals.
Nicht isolierter Lastpunkt (POL)
Nicht isolierter Lastpunkt ist eine Konvertertopologie, wie beispielsweise bei Tiefsetzstellern, bei denen der Ausgang im Gegensatz zum nicht vom Eingang isoliert ist Flyback-Designs wo die Eingangs- und Ausgangsstufen vollständig isoliert sind.
Für einen solchen nicht isolierten Lastpunkt mit geringer Leistung mit einer Ausgangsleistung von weniger als 10 W ist dies eine der größten Konstruktionsschwierigkeiten. Die Dimensionierung muss minimal sein und gleichzeitig ein zufriedenstellendes Maß an Effizienz gewährleisten.
Ein beliebter Weg, um die Konvertergröße zu verringern, besteht darin, N-Kanal-Mosfet als High-Side-Treiber zu verwenden und die Betriebsfrequenz auf ein wesentlich höheres Niveau zu erhöhen. Ein schnelleres Schalten ermöglicht die Verwendung einer stark verkleinerten Induktorgröße.
Schottky-Dioden werden häufig für die synchrone Gleichrichtung in diesen Schaltungstypen implementiert, jedoch sind MOSFETs zweifellos eine bessere Option, da der Spannungsabfall für MOSFETs normalerweise wesentlich geringer als bei einer Diode ist.
Ein anderer platzsparender Ansatz wäre, den High-Side-N-Kanal-MOSFET durch einen P-Kanal zu ersetzen.
Das P-Kanal-Verfahren beseitigt die komplexe Zusatzschaltung zum Ansteuern des Gates, die für einen N-Kanal-MOSFET auf der hohen Seite notwendig wird.
Das folgende Diagramm zeigt den grundlegenden Aufbau eines Tiefsetzstellers mit einem auf der hohen Seite implementierten P-Kanal-MOSFET.
Normalerweise liegen die Schaltfrequenzen in nicht isolierten Point-of-Load-Anwendungen wahrscheinlich nahe bei 500 kHz oder sogar zu Zeiten von bis zu 2 MHz.
Im Gegensatz zu den früheren Entwurfskonzepten stellt sich heraus, dass der Hauptverlust bei solchen Frequenzen die Schaltverluste sind.
Die folgende Abbildung zeigt den Verlust eines MOSFET in einer nicht isolierten 3-Watt-Lastpunktanwendung, die mit einer Schaltfrequenz von 1 MHz ausgeführt wird.
Somit zeigt es den Pegel der Gate-Ladung, der für einen P-Kanal spezifiziert werden muss, wenn er für eine High-Side-Anwendung in Bezug auf ein High-Side-N-Kanal-Gerät ausgewählt wird.
Fazit
Die Anwendung eines P-Kanal-MOSFET bietet Ihnen zweifellos die Vorteile des Designers in Bezug auf weniger kompliziert, zuverlässiger und eine verbesserte Konfiguration.
Das heißt, für eine gegebene Anwendung ist der Kompromiss zwischen R.DS (ein)und Q.Gsollte bei der Auswahl eines P-Kanal-MOSFET ernsthaft geprüft werden. Dies soll sicherstellen, dass der p-Kanal genau wie seine n-Kanal-Variante eine optimale Leistung bieten kann.
Höflichkeit: Infineon
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