MOSFET P-Channel dalam Aplikasi H-Bridge

Coba Instrumen Kami Untuk Menghilangkan Masalah





Menerapkan MOSFET saluran-P dalam rangkaian H-bridge mungkin terlihat mudah dan menarik, namun mungkin memerlukan beberapa perhitungan dan parameter yang ketat untuk mencapai respons yang optimal.

MOSFET saluran-P biasanya diimplementasikan untuk pengalihan beban ON / OFF. Kemudahan penggunaan opsi saluran-P di sisi atas memungkinkannya menjadi sangat nyaman untuk aplikasi seperti Drive Tegangan Rendah (Jaringan H-Bridge) dan Titik Beban yang tidak terisolasi (Pengonversi Buck) dan dalam aplikasi di mana ruang adalah batasan kritis.



Manfaat utama MOSFET saluran-P adalah strategi penggerak gerbang ekonomis di sekitar posisi sakelar sisi tinggi dan umumnya membantu membuat sistem sangat hemat biaya.

Pada artikel ini kami mengeksplorasi penggunaan MOSFET saluran-P sebagai sakelar sisi tinggi untuk aplikasi H-Bridge



Pro dan Kontra P-channel versus N-channel

Kapan digunakan dalam aplikasi sakelar sisi tinggi tegangan sumber MOSFET N-channel kebetulan berada pada potensi yang meningkat sehubungan dengan ground.

Oleh karena itu, pengoperasian MOSFET saluran-N di sini memerlukan driver gerbang independen seperti rangkaian bootstrap, atau pengaturan yang melibatkan tahap transformator pulsa.

Driver ini membutuhkan sumber daya terpisah, sedangkan beban transformator terkadang dapat mengalami keadaan yang tidak sesuai.

Di sisi lain, ini mungkin bukan situasi dengan MOSFET saluran-P. Anda dapat dengan mudah menggerakkan sakelar sisi tinggi saluran-P menggunakan sirkuit pengubah level biasa (pengubah level tegangan). Mencapai ini merampingkan sirkuit dan secara efektif mengurangi biaya keseluruhan.

Karena itu, poin yang harus dipertimbangkan di sini adalah bahwa mungkin sangat sulit untuk mencapai R yang identikDS (aktif)efisiensi untuk MOSFET saluran-P berbeda dengan saluran-N yang menggunakan dimensi chip yang serupa.

Karena fakta bahwa aliran pembawa dalam saluran-N sekitar 2 hingga 3 kali lebih besar daripada saluran-P, untuk R yang sama persisDS (aktif)Rentang perangkat saluran-P harus berukuran 2 hingga 3 kali lebih besar daripada perangkat saluran-N-nya.

Ukuran paket yang lebih besar, menyebabkan toleransi termal dari perangkat saluran-P menurun dan juga meningkatkan spesifikasinya saat ini. Ini juga berdampak pada keefektifan dinamisnya secara proporsional karena ukuran kasus yang meningkat.

Oleh karena itu, dalam aplikasi frekuensi rendah di mana kerugian konduksi cenderung tinggi, MOSFET saluran-P perlu memiliki RDS (aktif)sesuai dengan saluran-N. Dalam situasi seperti itu, wilayah internal MOSFET saluran-P harus lebih besar dari pada saluran-N.

Selain itu, dalam aplikasi frekuensi tinggi di mana kerugian switching biasanya tinggi, MOSFET saluran-P harus memiliki nilai biaya gerbang yang sebanding dengan saluran-N.

Dalam kasus seperti ini, ukuran MOSFET saluran-P bisa setara dengan saluran-N tetapi dengan spesifikasi arus yang lebih rendah dibandingkan dengan alternatif saluran-N.

Oleh karena itu, MOSFET saluran-P yang ideal perlu dipilih dengan hati-hati dengan mempertimbangkan R yang tepatDS (aktif)dan spesifikasi biaya gerbang.

Cara Memilih MOSFET P-channel untuk aplikasi

Ada banyak aplikasi switching di mana MOSFET saluran-P dapat diterapkan secara efektif, misalnya Drive Tegangan Rendah dan Titik Beban yang tidak terisolasi.

Dalam jenis aplikasi ini, pedoman penting yang mengatur pilihan MOSFET biasanya perangkat ON-resistance (RDS (aktif)) dan Gate Charge (QG). Salah satu dari variabel-variabel ini menghasilkan kepentingan yang lebih besar berdasarkan pada frekuensi switching dalam aplikasi.

Untuk penerapan dalam jaringan Penggerak Tegangan Rendah seperti konfigurasi jembatan penuh atau jembatan B6 (jembatan 3 fase), MOSFET saluran-N biasanya digunakan. dengan motor (Beban) dan catu daya DC.

Faktor kompromi untuk aspek positif yang disajikan oleh perangkat N-channel adalah kompleksitas yang lebih tinggi dalam desain driver gerbang.

Pengemudi gerbang dari sakelar sisi tinggi saluran-N menuntut a sirkuit bootstrap yang menciptakan tegangan gerbang lebih besar dari rel suplai tegangan motor, atau secara bergantian catu daya independen untuk menyalakannya. Kompleksitas desain yang meningkat umumnya mengarah pada pekerjaan desain yang lebih besar dan area perakitan yang lebih tinggi.

Gambar di bawah ini menunjukkan perbedaan antara rangkaian yang dirancang menggunakan MOSFET Saluran P dan N komplementer dan rangkaian hanya dengan 4 MOSFET saluran-N.

Menggunakan hanya 4 MOSFET N-channel

Dalam pengaturan ini, jika sakelar sisi tinggi dibangun dengan MOSFET saluran-P, desain driver sangat menyederhanakan tata letak., Seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

Menggunakan MOSFET saluran P dan N

Kebutuhan akan bootstrap pompa pengisian daya dieliminasi untuk mengganti sakelar sisi tinggi. Di sini ini hanya dapat digerakkan langsung oleh sinyal input dan melalui level shifter (konverter 3V ke 5V, atau tahap konverter 5V ke 12V).

Memilih MOSFET saluran-P untuk Mengalihkan Aplikasi

Biasanya sistem penggerak tegangan rendah bekerja dengan frekuensi switching dalam kisaran 10 hingga 50kHz.

Dalam rentang ini, hampir semua disipasi daya MOSFET terjadi melalui kehilangan konduksi, karena spesifikasi motor yang tinggi saat ini.

Oleh karena itu, dalam jaringan seperti itu, MOSFET saluran-P dengan R yang sesuaiDS (aktif)harus dipilih untuk mencapai efisiensi optimal.

Ini dapat dipahami dengan merenungkan ilustrasi Drive Tegangan Rendah 30W yang dioperasikan dengan baterai 12V.

Untuk MOSFET saluran-P sisi tinggi, kami mungkin memiliki beberapa opsi di tangan - salah satunya memiliki R yang setaraDS (aktif)sebanding dengan saluran-N sisi rendah dan yang lainnya memiliki biaya gerbang yang sebanding.

Tabel berikut di bawah ini menampilkan komponen yang berlaku untuk penggerak tegangan rendah jembatan penuh yang memiliki R sebandingDS (aktif)dan dengan biaya gerbang yang identik dengan MOSFET saluran-N di sisi bawah.

Tabel di atas yang menggambarkan kerugian MOSFET dalam aplikasi tertentu menunjukkan bahwa kerugian daya secara keseluruhan diatur oleh kerugian konduksi seperti yang dibuktikan dalam diagram lingkaran berikut.

Selain itu, tampaknya jika MOSFET saluran-P lebih disukai memiliki muatan gerbang yang sebanding dengan saluran-N, rugi-rugi switching akan sama, tetapi rugi-rugi konduksi mungkin terlalu tinggi.

Oleh karena itu, untuk aplikasi switching rendah dengan frekuensi rendah, MOSFET saluran-P sisi tinggi harus memiliki R yang sebanding. DS (aktif) seperti pada saluran-N sisi rendah.

Titik Beban Non-terisolasi (POL)

Titik Beban Non-terisolasi adalah topologi konverter seperti pada konverter buck dimana keluaran tidak diisolasi dari masukan, tidak seperti desain flyback di mana tahapan input dan output benar-benar terisolasi.

Untuk Titik Beban non-terisolasi daya rendah yang memiliki daya keluaran lebih rendah dari 10W, merupakan salah satu kesulitan desain terbesar. Penentuan ukuran harus minimum dengan tetap menjaga tingkat efisiensi yang memuaskan.

Salah satu cara yang populer untuk memperkecil ukuran konverter adalah dengan menggunakan mosfet saluran-N sebagai driver sisi tinggi, dan meningkatkan frekuensi operasi ke tingkat yang jauh lebih tinggi. Peralihan yang lebih cepat memungkinkan penggunaan ukuran induktor yang jauh lebih kecil.

Dioda Schottky sering diimplementasikan untuk penyearah sinkron dalam jenis rangkaian ini, namun MOSFET tidak diragukan lagi adalah pilihan yang lebih baik karena penurunan tegangan untuk MOSFET biasanya jauh lebih rendah daripada dioda.

Pendekatan lain yang menghemat ruang adalah dengan mengganti MOSFET saluran-N sisi tinggi dengan saluran-P.

Metode saluran-P menghilangkan sirkuit tambahan yang kompleks untuk menggerakkan gerbang, yang menjadi penting untuk MOSFET saluran-N di sisi atas.

Diagram di bawah ini menunjukkan desain dasar konverter uang yang memiliki MOSFET saluran-P yang diimplementasikan pada sisi yang tinggi.

Biasanya frekuensi switching dalam aplikasi Point of Load yang tidak terisolasi kemungkinan akan mendekati 500kHz, atau bahkan pada waktu setinggi hingga 2MHz.

Bertentangan dengan konsep desain sebelumnya, kerugian utama pada frekuensi tersebut ternyata adalah kerugian switching.

Gambar di bawah ini menunjukkan kerugian dari MOSFET dalam aplikasi Titik Beban non-terisolasi 3 watt yang berjalan pada frekuensi switching 1MHz.

Jadi ini menunjukkan tingkat muatan gerbang yang harus ditentukan ke saluran-P ketika dipilih untuk aplikasi sisi tinggi, sehubungan dengan perangkat saluran-N sisi tinggi.

Kesimpulan

Menerapkan MOSFET P-channel tidak diragukan lagi memberi Anda keuntungan desainer dalam hal konfigurasi yang tidak terlalu rumit, lebih dapat diandalkan, dan ditingkatkan.

Yang mengatakan untuk aplikasi tertentu, kompromi antara RDS (aktif)dan QGharus dievaluasi secara serius saat memilih MOSFET saluran-P. Hal ini untuk memastikan bahwa p-channel mampu menawarkan performa yang optimal seperti varian n-channel-nya.

Kesopanan: Infineon




Sepasang: Cara Memperbaiki Kelelawar Pemukul Nyamuk Berikutnya: Membuat Generator Mandiri