MOSFET de canal P en aplicaciones H-Bridge

MOSFET de canal P en aplicaciones H-Bridge

Implementar MOSFET de canal P en un circuito de puente H puede parecer fácil y atractivo, sin embargo, puede requerir algunos cálculos y parámetros estrictos para lograr una respuesta óptima.



Los MOSFET de canal P generalmente se implementan para la conmutación de carga ON / OFF. La facilidad de uso de las opciones de canal P en el lado alto les permite ser muy convenientes para aplicaciones como variadores de bajo voltaje (redes H-Bridge) y puntos de carga no aislados (convertidores Buck) y en aplicaciones en las que el espacio es una limitación crítica.

El beneficio clave de un MOSFET de canal P es la estrategia económica de conducción de la puerta alrededor de la posición del interruptor del lado alto y, en general, ayuda a que el sistema sea muy rentable.





En este artículo exploramos el uso de MOSFET de canal P como un interruptor de lado alto para aplicaciones H-Bridge

Pros y contras de canal P versus canal N

Cuando utilizado en una aplicación de interruptor de lado alto el voltaje de la fuente de un MOSFET de canal N tiene un potencial mayor con respecto a tierra.



Por lo tanto, aquí el funcionamiento de un MOSFET de canal N requiere un controlador de puerta independiente, como un circuito de arranque, o una disposición que involucra una etapa de transformador de pulso.

Estos controladores exigen una fuente de alimentación separada, mientras que la carga del transformador puede, en ocasiones, pasar por circunstancias incompatibles.

Por otro lado, esta puede no ser la situación con un MOSFET de canal P. Puede manejar fácilmente un interruptor lateral alto de canal P usando un circuito de cambio de nivel ordinario (cambiador de nivel de voltaje). Lograr esto agiliza el circuito y reduce efectivamente el costo total.

Dicho esto, el punto que debe tenerse en cuenta aquí es que puede ser extremadamente difícil alcanzar la R idénticaDS (activado)eficiencia para un MOSFET de canal P en contraste con un canal N que usa la dimensión de chip similar.

Debido al hecho de que el flujo de los portadores en un canal N es alrededor de 2 a 3 veces mayor que el de un canal P, exactamente el mismo RDS (activado)rango, el dispositivo de canal P debe ser de 2 a 3 veces más grande que su contraparte de canal N.

El tamaño de paquete más grande hace que la tolerancia térmica del dispositivo de canal P disminuya y también aumenta sus especificaciones actuales. Esto también afecta su eficacia dinámica proporcionalmente debido a un mayor tamaño de caja.

Por lo tanto, en una aplicación de baja frecuencia en la que las pérdidas de conducción tienden a ser altas, un MOSFET de canal P debe tener un RDS (activado)correspondiente a la de un canal N. En tal situación, la región interna del MOSFET del canal P será más grande que la del canal N.

Además, en aplicaciones de alta frecuencia donde las pérdidas de conmutación suelen ser altas, un MOSFET de canal P debe poseer un valor de cargas de puerta comparable a un canal N.

En casos como este, un tamaño de MOSFET de canal P podría estar a la par con el canal N pero con una especificación de corriente reducida en comparación con una alternativa de canal N.

Por lo tanto, un MOSFET de canal P ideal debe elegirse con cuidado teniendo en cuenta la R adecuadaDS (activado)y especificaciones de carga de la puerta.

Cómo seleccionar un MOSFET de canal P para una aplicación

Existen numerosas aplicaciones de conmutación en las que se puede aplicar eficazmente un MOSFET de canal P, por ejemplo, variadores de bajo voltaje y puntos de carga no aislados.

En este tipo de aplicaciones, las pautas cruciales que gobiernan la elección de MOSFET suelen ser la resistencia a ENCENDIDO del dispositivo (RDS (activado)) y el Gate Charge (QGRAMO). Cualquiera de estas variables resulta de mayor importancia en función de la frecuencia de conmutación en la aplicación.

Para aplicar en redes de variadores de bajo voltaje, como la configuración de puente completo o puente B6 (puente trifásico), los MOSFET de canal N se emplean comúnmente con motor (carga) y alimentación de CC.

El factor que compromete los aspectos positivos presentados por los dispositivos de canal N es la mayor complejidad en el diseño del controlador de puerta.

Un controlador de puerta de un interruptor lateral alto de canal N exige un circuito de arranque que crea un voltaje de puerta mayor que el riel de suministro de voltaje del motor, o alternativamente una fuente de alimentación independiente para encenderlo. El aumento de la complejidad del diseño generalmente conduce a un mayor trabajo de diseño y una mayor área de ensamblaje.

La siguiente figura muestra la diferencia entre el circuito diseñado con MOSFET de canal P y N complementarios y el circuito con 4 MOSFET de canal N únicamente.

Usando solo 4 MOSFETS de canal N

En esta disposición, si el interruptor del lado alto está construido con un MOSFET de canal P, el diseño del controlador simplifica enormemente el diseño, como se muestra a continuación:

Uso de MOSFET de canal P y N

La necesidad de un bootstrap bomba de carga se elimina para cambiar el interruptor del lado alto. Aquí, esto puede ser impulsado directamente por la señal de entrada y a través de un cambiador de nivel (convertidor de 3V a 5V, o etapa de conversión de 5V a 12V).

Selección de MOSFET de canal P para aplicaciones de conmutación

Normalmente, los sistemas de accionamiento de bajo voltaje funcionan con frecuencias de conmutación en el rango de 10 a 50 kHz.

En estos rangos, casi toda la disipación de potencia del MOSFET ocurre por medio de pérdidas de conducción, debido a las especificaciones de alta corriente del motor.

Por lo tanto, en tales redes, un MOSFET de canal P con R apropiadoDS (activado)debe elegirse para lograr la eficiencia óptima.

Esto podría entenderse contemplando una ilustración de un variador de bajo voltaje de 30 W que funciona con una batería de 12 V.

Para un MOSFET de canal P de lado alto, podemos tener un par de opciones en la mano, una para tener un R equivalenteDS (activado)comparable con el canal N del lado bajo y el otro para tener cargas de puerta comparables.

La siguiente tabla muestra los componentes aplicables para el variador de bajo voltaje de puente completo que tiene R comparableDS (activado)y con cargas de puerta idénticas a las del MOSFET de canal N en el lado bajo.

La tabla anterior que muestra las pérdidas del MOSFET dentro de la aplicación particular revela que las pérdidas de potencia generales se rigen por las pérdidas de conducción como se demuestra en el siguiente gráfico circular.

Además, parece que si se prefiere el MOSFET de canal P con cargas de puerta comparables a las del canal N, las pérdidas de conmutación serán idénticas, pero las pérdidas de conducción probablemente pueden ser excesivamente altas.

Por lo tanto, para aplicaciones de conmutación baja con frecuencias más bajas, el MOSFET de canal P del lado alto debería tener obligatoriamente un R comparable DS (activado) como el del canal N del lado bajo.

Punto de carga no aislado (POL)

El punto de carga no aislado es una topología de convertidor, como en los convertidores reductores, donde la salida no está aislada de la entrada, a diferencia del diseños de flyback donde las etapas de entrada y salida están completamente aisladas.

Para tales puntos de carga no aislados de baja potencia que tienen una potencia de salida inferior a 10W, presenta una de las mayores dificultades de diseño. El dimensionamiento debe ser mínimo y al mismo tiempo conservar un grado satisfactorio de eficiencia.

Una forma popular de disminuir el tamaño del convertidor es usar el mosfet de canal N como controlador del lado alto y aumentar la frecuencia de operación a un nivel sustancialmente más alto. La conmutación más rápida permite el uso de un tamaño de inductor mucho más reducido.

Los diodos Schottky a menudo se implementan para la rectificación síncrona en este tipo de circuitos; sin embargo, los MOSFET son sin duda una mejor opción, ya que la caída de voltaje de los MOSFET suele ser sustancialmente más baja que la de un diodo.

Otro enfoque que ahorra espacio sería sustituir el MOSFET de canal N del lado alto por un canal P.

El método del canal P elimina el complejo circuito complementario para impulsar la puerta, que se vuelve necesario para un MOSFET de canal N en el lado alto.

El diagrama a continuación demuestra el diseño fundamental de un convertidor reductor que tiene un MOSFET de canal P implementado en el lado alto.

Normalmente, las frecuencias de conmutación en aplicaciones de punto de carga no aisladas probablemente estarán cerca de los 500 kHz, o incluso en ocasiones tan altas como hasta 2 MHz.

En contradicción con los conceptos de diseño anteriores, la principal pérdida en tales frecuencias resulta ser la pérdida de conmutación.

La siguiente figura indica la pérdida de un MOSFET en una aplicación de punto de carga no aislada de 3 vatios que se ejecuta a una frecuencia de conmutación de 1 MHz.

Por lo tanto, muestra el nivel de carga de la puerta que debe especificarse para un canal P cuando se selecciona para una aplicación del lado alto, con respecto a un dispositivo de canal N del lado alto.

Conclusión

La aplicación de un MOSFET de canal P sin duda le brinda a los diseñadores ventajas en términos de una configuración menos complicada, más confiable y mejorada.

Dicho esto, para una aplicación determinada, el compromiso entre RDS (activado)y QGRAMOdebe evaluarse seriamente al seleccionar un MOSFET de canal P. Esto es para garantizar que el canal p pueda ofrecer un rendimiento óptimo al igual que su variante de canal n.

Cortesía: Infineon




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