MOSFETs de canal P em aplicações de ponte H

A implementação de MOSFETs de canal P em um circuito de ponte H pode parecer fácil e atraente, no entanto, pode exigir alguns cálculos e parâmetros rigorosos para obter a resposta ideal.

MOSFETs de canal P são geralmente implementados para comutação de carga ON / OFF. A facilidade de uso das opções de canal P no lado alto permite que elas sejam muito convenientes para aplicações como unidades de baixa tensão (redes H-bridge) e pontos de carga não isolados (conversores buck) e em aplicações onde o espaço é uma limitação crítica.

O principal benefício de um MOSFET de canal P é a estratégia econômica de acionar a porta em torno da posição do interruptor lateral alto e geralmente ajuda o sistema a ser muito econômico.

Neste artigo, exploramos o uso de MOSFETs de canal P como um switch lateral alto para aplicativos de ponte H.

Canal P versus Prós e Contras do Canal N

Quando usada em uma aplicação de chave lateral alta, a tensão de fonte de um MOSFET de canal N tem um potencial maior em relação ao terra.

Portanto, a operação de um MOSFET de canal N requer um controlador de porta separado, como um circuito de partida, ou um arranjo envolvendo um estágio do transformador de pulso.

Esses controladores requerem uma fonte de alimentação separada, enquanto a carga do transformador às vezes pode passar por circunstâncias incompatíveis.


Por outro lado, esse pode não ser o caso de um MOSFET do canal P. Você pode operar facilmente uma chave lateral alta do canal P usando um circuito normal de mudança de nível (comutador de nível de tensão). Conseguir isso agiliza o circuito e reduz efetivamente o custo total.

Dito isto, o ponto a ser observado aqui é que pode ser extremamente difícil alcançar o R ​​idênticoDS (ativado) eficiência para um MOSFET de canal P em contraste com um canal N usando a dimensão de chip semelhante.

Devido ao fato de que o fluxo portador em um canal N é cerca de 2 a 3 vezes maior que o de um canal P, exatamente para o mesmo RDS (ativado) O alcance do dispositivo do canal P deve ter um tamanho 2 a 3 vezes maior que o do canal N.

O tamanho maior da embalagem diminui a tolerância térmica do dispositivo de canal P e também aumenta suas especificações atuais. Isso também afeta sua eficácia dinâmica proporcionalmente devido a um tamanho de caixa maior.

Portanto, em uma aplicação de baixa frequência em que as perdas de condução tendem a ser altas, um MOSFET de canal P deve ter um RDS (ativado) correspondente à de um canal N. Em tal situação, a região MOSFET interna do canal P será maior que a do canal N.

Além disso, em aplicações de alta frequência em que as perdas de comutação geralmente são altas, um MOSFET de canal P deve ter um valor de carga de porta comparável a um canal N.

Em casos como esse, um tamanho de MOSFET do canal P poderia corresponder ao canal N, mas com uma especificação de corrente reduzida em comparação com uma alternativa do canal N.

Portanto, um MOSFET de canal P ideal deve ser selecionado com cautela, levando em consideração o R apropriadoDS (ativado) e especificações de carga da porta.

Como selecionar um MOSFET de canal P para um aplicativo

Existem inúmeras aplicações de comutação nas quais um MOSFET de canal P pode ser aplicado, por exemplo, unidades de baixa tensão e pontos de carga não isolados.

Nesses tipos de aplicações, as diretrizes cruciais que governam a escolha do MOSFET são geralmente a resistência à ignição do dispositivo (RDS (ativado)) e a carga do portão (QSol) Qualquer uma dessas variáveis ​​tem maior importância, dependendo da frequência de comutação na aplicação.

Para aplicação em redes conversoras de baixa tensão, como configuração de ponte completa ou ponte B6 (ponte trifásica), MOSFETs de canal N são comumente usados ​​com motor (carga) e alimentação CC.

O fator comprometedor para os aspectos positivos apresentados pelos dispositivos de canal N é o aumento da complexidade no design do controlador de porta.

Um controlador de portão de chave do lado N de canal alto requer um circuito de partida que cria uma tensão de portão maior que o trilho de alimentação de tensão do motor ou, alternativamente, uma fonte de alimentação separada para ligá-lo. A maior complexidade do projeto geralmente leva a mais trabalhos de projeto e a uma maior área de montagem.

A figura a seguir mostra a diferença entre o circuito projetado usando MOSFETs de canal P e N complementares e o circuito apenas com MOSFETs de 4 canais N.

Usando apenas 4 MOSFETS de canal N

Nesse arranjo, se o comutador lateral alto for construído com um MOSFET de canal P, o design do controlador simplifica bastante o design, como mostrado abaixo:

Usando MOSFETs de canal P e N

A necessidade de uma bomba de carga de partida para trocar o interruptor lateral alto é eliminada. Aqui, isso pode ser simplesmente acionado diretamente pelo sinal de entrada e através de um comutador de nível (conversor de 3V a 5V ou estágio do conversor de 5V a 12V).

Seleção de MOSFETs de canal P para aplicações de comutação

Os sistemas de acionamento de baixa tensão normalmente operam com frequências de comutação na faixa de 10 a 50 kHz.

Nessas faixas, quase toda a dissipação de energia do MOSFET ocorre devido a perdas de condução, devido às altas especificações de corrente do motor.

Portanto, nessas redes, um MOSFET de canal P com R apropriadoDS (ativado) deve ser escolhido para obter a eficiência ideal.

Isso pode ser entendido observando uma ilustração de um inversor de baixa tensão de 30W funcionando com uma bateria de 12V.

Para um MOSFET de canal P do lado superior, podemos ter algumas opções disponíveis, uma para ter um R equivalenteDS (ativado) comparável ao canal N no lado inferior e o outro a ter cargas de porta comparáveis.

A tabela a seguir mostra os componentes aplicáveis ​​à unidade de baixa tensão de ponte completa com R comparávelDS (ativado) e com cargas de porta idênticas às do MOSFET de canal N no lado inferior.

A tabela acima, mostrando as perdas de MOSFET dentro do aplicativo específico, revela que as perdas de energia em geral são governadas por perdas de condução, conforme demonstrado no gráfico de pizza a seguir.

Além disso, parece que se o MOSFET do canal P com cargas de porta comparáveis ​​ao canal N for o preferido, as perdas de comutação serão idênticas, mas as perdas de condução podem ser excessivamente altas.

Portanto, para aplicações de baixa comutação com frequências mais baixas, o MOSFET do canal P do lado alto deve ter um R comparávelDS (ativado) como o canal N no lado baixo.

Ponto de carregamento não isolado (POL)

Point of Loads non-isolated é uma topologia de conversor como conversores buck, em que a saída não é isolada da entrada, diferentemente dos projetos flyback em que os estágios de entrada e saída são completamente isolados.

Para esses pontos de carregamento de baixa potência e não isolados, com uma potência de saída inferior a 10 W, ele apresenta uma das maiores dificuldades de projeto. O dimensionamento deve ser mínimo, preservando um grau satisfatório de eficiência.

Uma maneira popular de diminuir o tamanho do conversor é usar o mosfet de canal N como o driver do lado alto e aumentar a frequência de operação para um nível substancialmente mais alto. A comutação mais rápida permite o uso de um tamanho de indutor muito menor.

Os diodos Schottky são frequentemente implementados para retificação síncrona nesses tipos de circuitos, no entanto, os MOSFETs são, sem dúvida, uma opção melhor, pois a queda de tensão nos MOSFETs geralmente é substancialmente menor que um diodo.

Outra abordagem para economizar espaço seria substituir o MOSFET do canal N do lado alto por um canal P.

O método do canal P elimina circuitos complementares complexos para acionar o portão, o que é necessário para um MOSFET do canal N do lado alto.

O diagrama a seguir mostra o design fundamental de um conversor buck que possui um MOSFET de canal P implementado na parte superior.

Normalmente, as freqüências de comutação em aplicações de pontos de carga não isolados provavelmente estarão próximas a 500 kHz, ou mesmo em alturas de até 2MHz.

Ao contrário dos conceitos de projeto acima, a principal perda nessas frequências acaba sendo a perda de comutação.

A figura a seguir indica a perda de um MOSFET em um aplicativo de ponto de carga não isolado de 3 watts em execução a uma frequência de comutação de 1 MHz.

Portanto, mostra o nível de carga da porta a ser especificado para um canal P quando selecionado para um aplicativo do lado alto, em relação a um dispositivo do canal N do lado alto.

conclusão

A aplicação de um MOSFET de canal P certamente oferece vantagens aos projetistas em termos de uma configuração menos complicada, mais confiável e aprimorada.

Dito isto, para um determinado aplicativo, o compromisso entre RDS (ativado) e queSol Ele deve ser avaliado seriamente ao selecionar um MOSFET do canal P. Isso garante que o canal P possa oferecer um desempenho ideal, assim como sua variante do canal n.

Cortesia: Infineon



FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

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