MOSFET à canal P dans les applications de pont en H

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La mise en œuvre de MOSFET à canal P dans un circuit en pont H peut sembler facile et attrayante, mais elle peut nécessiter des calculs et des paramètres rigoureux pour obtenir une réponse optimale.

Les MOSFET à canal P sont généralement mis en œuvre pour la commutation ON / OFF de charge. La facilité d'utilisation des options de canal P sur le côté haut leur permet d'être très pratiques pour des applications telles que les entraînements basse tension (réseaux de pont en H) et les points de charge non isolés (convertisseurs Buck) et dans les applications dans lesquelles l'espace est une limitation critique.



Le principal avantage d'un MOSFET à canal P est la stratégie de commande de porte économique autour de la position de commutation côté haut et contribue généralement à rendre le système très rentable.

Dans cet article, nous explorons l'utilisation des MOSFET à canal P en tant que commutateur côté haut pour les applications H-Bridge



Avantages et inconvénients du canal P et du canal N

Lorsque utilisé dans une application de commutation côté haut la tension de source d'un MOSFET à canal N se trouve être à un potentiel accru par rapport à la terre.

Par conséquent, le fonctionnement ici d'un MOSFET à canal N nécessite un pilote de grille indépendant tel qu'un circuit d'amorçage, ou un agencement impliquant un étage de transformateur d'impulsions.

Ces conducteurs exigent une source d'alimentation séparée, tandis que la charge du transformateur peut parfois passer par des circonstances incompatibles.

D'un autre côté, ce n'est peut-être pas le cas avec un MOSFET à canal P. Vous pouvez facilement piloter un interrupteur côté haut à canal P à l'aide d'un circuit de décalage de niveau ordinaire (changeur de niveau de tension). Atteindre cela rationalise le circuit et réduit efficacement le coût global.

Cela dit, le point à prendre en considération ici est qu'il peut être extrêmement difficile d'atteindre le R identiqueDS (activé)efficacité pour un MOSFET à canal P par rapport à un canal N utilisant la dimension de puce similaire.

En raison du fait que le débit des porteurs dans un canal N est environ 2 à 3 fois supérieur à celui d'un canal P, pour exactement le même RDS (activé)le dispositif à canal P doit être de 2 à 3 fois plus grand que son homologue à canal N.

La plus grande taille du boîtier entraîne une diminution de la tolérance thermique du dispositif à canal P et augmente également ses spécifications actuelles. Cela a également un impact sur son efficacité dynamique proportionnellement en raison d'une taille de boîtier accrue.

Par conséquent, dans une application basse fréquence dans laquelle les pertes de conduction ont tendance à être élevées, un MOSFET à canal P doit avoir un RDS (activé)correspondant à celui d'un canal N. Dans une telle situation, la région interne du MOSFET à canal P doit être plus grande que celle du canal N.

En outre, dans les applications haute fréquence où les pertes de commutation sont généralement élevées, un MOSFET à canal P devrait posséder une valeur de charges de grille comparable à un canal N.

Dans des cas comme celui-ci, une taille de MOSFET à canal P pourrait être comparable à celle d'un canal N mais avec une spécification de courant réduite par rapport à une alternative à canal N.

Par conséquent, un MOSFET à canal P idéal doit être choisi avec prudence en tenant compte du R appropriéDS (activé)et les spécifications de charge de porte.

Comment sélectionner un MOSFET à canal P pour une application

Il existe de nombreuses applications de commutation dans lesquelles un MOSFET à canal P peut être efficacement appliqué, par exemple les variateurs basse tension et les points de charge non isolés.

Dans ces types d'applications, les directives cruciales régissant le choix du MOSFET sont généralement la résistance ON de l'appareil (RDS (activé)) et la charge de porte (Qg). Chacune de ces variables se traduit par une plus grande importance en fonction de la fréquence de commutation dans l'application.

Pour l'application dans les réseaux d'entraînement basse tension tels que la configuration en pont complet ou en pont B6 (pont triphasé), les MOSFET à canal N sont couramment utilisés avec moteur (Load) et alimentation CC.

Le facteur compromettant pour les aspects positifs présentés par les dispositifs à canal N est la plus grande complexité dans la conception du pilote de porte.

Un pilote de porte d'un commutateur côté haut à canal N exige un circuit d'amorçage cela crée une tension de grille supérieure au rail d'alimentation en tension du moteur, ou alternativement une alimentation indépendante pour l'allumer. Une complexité de conception accrue entraîne généralement un travail de conception plus important et une zone d'assemblage plus élevée.

La figure ci-dessous montre la différence entre le circuit conçu à l'aide de MOSFET à canaux P et N complémentaires et le circuit avec 4 MOSFET à canal N uniquement.

Utilisation de seulement 4 MOSFETS à canal N

Dans cet agencement, si le commutateur côté haut est construit avec un MOSFET à canal P, la conception du pilote simplifie considérablement la disposition., Comme indiqué ci-dessous:

Utilisation de MOSFET à canal P et N

Le besoin d'un bootstrap pompe de charge est éliminé pour la commutation du commutateur côté haut. Ici, cela peut simplement être piloté directement par le signal d'entrée et via un décaleur de niveau (convertisseur 3V à 5V, ou étage convertisseur 5V à 12V).

Sélection de MOSFET à canal P pour les applications de commutation

Généralement, les systèmes d'entraînement basse tension fonctionnent avec des fréquences de commutation comprises entre 10 et 50 kHz.

Dans ces plages, la quasi-totalité de la dissipation de puissance du MOSFET se produit au moyen de pertes de conduction, en raison des spécifications de courant élevées du moteur.

Par conséquent, dans de tels réseaux, un MOSFET à canal P avec R appropriéDS (activé)doit être choisi pour obtenir une efficacité optimale.

Cela pourrait être compris en envisageant une illustration d'un variateur basse tension de 30 W fonctionnant avec une batterie 12V.

Pour un MOSFET à canal P côté haut, nous pouvons avoir quelques options en main - une pour avoir un R équivalentDS (activé)comparable avec le canal N côté bas et l'autre pour avoir des charges de grille comparables.

Le tableau suivant ci-dessous affiche les composants applicables pour le variateur basse tension à pont complet ayant un R comparableDS (activé)et avec des charges de grille identiques à celles du MOSFET à canal N du côté bas.

Le tableau ci-dessus décrivant les pertes MOSFET dans l'application particulière révèle que les pertes de puissance globales sont régies par les pertes de conduction comme le montre le diagramme à secteurs suivant.

De plus, il semble que si le MOSFET à canal P est préféré avec des charges de grille comparables à celles du canal N, les pertes de commutation seront identiques, mais les pertes de conduction peuvent probablement être excessivement élevées.

Par conséquent, pour les applications de commutation basse avec des fréquences plus basses, le MOSFET à canal P côté haut devrait avoir un R comparable. DS (activé) comme celui du canal N côté bas.

Point de charge non isolé (POL)

Le point de charge non isolé est une topologie de convertisseur, comme dans les convertisseurs abaisseur où la sortie n'est pas isolée de l'entrée, contrairement au dessins flyback où les étages d'entrée et de sortie sont complètement isolés.

Pour un tel point de charge non isolé de faible puissance ayant une puissance de sortie inférieure à 10 W, présente l'une des plus grandes difficultés de conception. Le dimensionnement doit être le strict minimum tout en préservant un degré d'efficacité satisfaisant.

Un moyen populaire de réduire la taille du convertisseur consiste à utiliser le mosfet à canal N comme pilote du côté haut et à augmenter la fréquence de fonctionnement à un niveau nettement supérieur. Une commutation plus rapide permet l'utilisation d'une taille d'inductance beaucoup plus réduite.

Les diodes Schottky sont souvent mises en œuvre pour le redressement synchrone dans ces types de circuits, mais les MOSFET sont sans aucun doute une meilleure option car la chute de tension des MOSFET est généralement nettement inférieure à celle d'une diode.

Une autre approche peu encombrante consisterait à remplacer le MOSFET à canal N côté haut par un canal P.

La méthode à canal P élimine les circuits supplémentaires complexes pour piloter la porte, ce qui devient nécessaire pour un MOSFET à canal N du côté haut.

Le diagramme ci-dessous illustre la conception fondamentale d'un convertisseur abaisseur ayant un MOSFET à canal P implémenté sur le côté haut.

Normalement, les fréquences de commutation dans les applications de point de charge non isolées seront probablement proches de 500 kHz, ou même parfois aussi élevées que jusqu'à 2 MHz.

Contrairement aux concepts de conception antérieurs, la principale perte à de telles fréquences se révèle être les pertes de commutation.

La figure ci-dessous indique la perte d'un MOSFET dans une application de point de charge non isolée de 3 watts fonctionnant à une fréquence de commutation de 1 MHz.

Ainsi, il montre le niveau de charge de grille qui doit être spécifié à un canal P lorsqu'il est sélectionné pour une application côté haut, par rapport à un dispositif à canal N côté haut.

Conclusion

L'application d'un MOSFET à canal P vous donne sans aucun doute les avantages des concepteurs en termes de configuration moins compliquée, plus fiable et améliorée.

Cela dit pour une application donnée, le compromis entre RDS (activé)et Qgdevrait être sérieusement évalué lors de la sélection d'un MOSFET à canal P. Cela permet de garantir que le canal p est en mesure d'offrir des performances optimales tout comme sa variante à canal n.

Courtoisie: Infineon




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