MOSFET בערוץ P ביישומי H-Bridge

הטמעת MOSFET של ערוץ P במעגל גשר H עשויה להיראות קלה ומפתה, אולם היא עשויה לדרוש כמה חישובים ופרמטרים מחמירים להשגת תגובה אופטימלית.

MOSFET של ערוץ P מיושמים בדרך כלל למיתוג הפעלה / כיבוי של עומס. קלות השימוש באפשרויות ערוץ P בצד הגבוה מאפשרת להם להיות נוחים מאוד ליישומים כמו כונני מתח נמוך (רשתות H-Bridge) ונקודת עומס לא מבודדת (ממירי באק) וביישומים בהם המרחב הוא מגבלה קריטית.

היתרון העיקרי של MOSFET בערוץ P הוא אסטרטגיית הנהיגה בשער חסכוני סביב מיקום מתג הצד הגבוה ובדרך כלל מסייעת להפוך את המערכת לחסכונית מאוד.

במאמר זה אנו בוחנים את השימוש ב- MOSFET בערוץ P כמתג צד גבוה ליישומי H-Bridge

ערוץ P לעומת ערוצים N בעד ונגד

מתי משמש ביישום מתג צד גבוה מתח המקור של MOSFET בערוץ N נמצא במקרה בפוטנציאל מוגבר ביחס לקרקע.

לכן, כאן הפעלת MOSFET בערוץ N מחייבת נהג שער עצמאי כגון מעגל רצועת אתחול, או סידור הכרוך בשלב שנאי דופק.

נהגים אלה דורשים מקור כוח נפרד, בעוד שעומס השנאי יכול לעיתים לעבור נסיבות לא תואמות.

מצד שני, זה לא יכול להיות המצב עם MOSFET בערוץ P. אתה יכול לנהוג בקלות במתג צד גבוה של ערוץ P באמצעות מעגל הסטת רמות רגיל (מחליף רמת מתח). השגת זה מייעלת את המעגל ומפחיתה למעשה את העלות הכוללת.

עם זאת, הנקודה שיש לקחת בחשבון כאן היא שקשה מאוד להשיג את ה- R הזהה_{DS (מופעל)}יעילות עבור MOSFET בערוץ P בניגוד לערוץ N המשתמש בממד השבב הדומה.

בשל העובדה שזרם המובילים בערוץ N גדול בערך פי 2 עד 3 מזה של ערוץ P, עבור אותו R בדיוק_{DS (מופעל)}בטווח הטווח, מכשיר ה- P-channel צריך להיות גדול פי שניים עד 3 מהמקבילה שלו בערוץ N.

גודל החבילה הגדול יותר, גורם לירידה בסובלנות התרמית של מכשיר ערוץ ה- P ומגדיל גם את המפרט הנוכחי שלו. זה משפיע גם על האפקטיביות הדינמית שלו באופן יחסי בשל הגדלת גודל התיק.

לכן ביישום בתדירות נמוכה בה הפסדי ההולכה נוטים להיות גבוהים, ל- MOSFET בערוץ P צריך להיות R_{DS (מופעל)}המקביל לזה של ערוץ N. במצב כזה, האזור הפנימי של MOSFET בערוץ P יהיה גדול יותר מזה של ערוץ ה- N.

יתר על כן, ביישומים בתדירות גבוהה שבהם הפסדי המיתוג הם בדרך כלל גבוהים, על MOSFET של ערוץ P להיות בעל ערך של חיובי שער הדומים לערוץ N.

במקרים כאלה, גודל MOSFET של ערוץ P יכול להיות זהה לערוץ N אך עם מפרט זרם מופחת בהשוואה לחלופת N-channel.

לפיכך, MOSFET ערוצי P אידיאלי צריך להיבחר בזהירות תוך התחשבות ב- R המתאים_{DS (מופעל)}ומפרט טעינת שער.

כיצד לבחור MOSFET בערוץ P ליישום

ישנם יישומי מיתוג רבים בהם ניתן ליישם MOSFET בערוץ P בצורה יעילה, למשל כונני מתח נמוך ונקודת עומס שאינה מבודדת.

ביישומים מסוג זה ההנחיות המכריעות המסדירות את בחירת MOSFET הן בדרך כלל עמידות ON בהתקן (R_{DS (מופעל)}) וחיוב שער (ש_ז). כל אחד מהמשתנים הללו מביא לחשיבות רבה יותר בהתבסס על תדירות המיתוג ביישום.

ליישום ברשתות כונן מתח נמוך, כגון תצורת גשר מלא או גשר B6 (גשר תלת פאזי), משתמשים בדרך כלל ב- MOSFET של ערוץ N עם מנוע (עומס) ואספקת DC.

הגורם המתפשר על ההיבטים החיוביים שמציגים מכשירי ערוץ N הוא המורכבות הגבוהה יותר בתכנון נהג השער.

נהג שער של מתג צד גבוה בערוץ N דורש מעגל אתחול שיוצר מתח שער גדול ממעקה אספקת מתח המנוע, או לחלופין ספק כוח עצמאי להפעלתו. מורכבות עיצוב מוגברת מובילה בדרך כלל לעבודות עיצוב גדולות יותר ולאזור הרכבה גבוה יותר.

האיור שלהלן מדגים את ההבדל בין המעגל שתוכנן באמצעות MOSFET ערוצי P ו- N משלימים לבין המעגל עם 4 MOSFET של ערוץ N בלבד.

משתמשים רק ב- 4 MOSFETS בערוץ N

בהסדר זה, אם המתג בצד הגבוה בנוי עם MOSFET של ערוץ P, עיצוב הנהג מפשט את הפריסה בצורה אדירה. כפי שמוצג להלן:

שימוש ב- MOSFET של ערוץ P ו- N

הצורך ב- bootstrapped משאבת טעינה מסולק לצורך החלפת מתג הצד הגבוה. כאן זה יכול פשוט להיות מונע ישירות על ידי אות הקלט ודרך משדר מפלס (ממיר 3V ל 5V, או שלב ממיר 5V ל 12V).

בחירת MOSFET של ערוץ P עבור החלפת יישומים

בדרך כלל מערכות כונן במתח נמוך עובדות עם תדרי החלפה בטווח של 10 עד 50 קילוהרץ.

בטווחים אלה כמעט כל פיזור ההספק MOSFET מתרחש באמצעות הפסדי הולכה בגלל מפרט זרם גבוה של המנוע.

לכן, ברשתות כאלה MOSFET בערוץ P עם R מתאים_{DS (מופעל)}יש לבחור בכדי להשיג את היעילות האופטימלית.

ניתן להבין זאת על ידי התבוננות באיור של כונן מתח נמוך 30W המופעל באמצעות סוללת 12V.

עבור MOSFET של ערוץ P בצד גבוה, ייתכן שיש לנו כמה אפשרויות - אחת שתקבל R שווה ערך_{DS (מופעל)}ניתן להשוות עם תעלת ה- N בצד הנמוך ולשני יש חיובי שער דומים.

הטבלה הבאה מציגה את הרכיבים המתאימים לכונן המתח הנמוך של הגשר בעל R המקביל_{DS (מופעל)}ועם מטעני שער זהים לזה של MOSFET בערוץ N בצד הנמוך.

הטבלה לעיל המתארת ​​את הפסדי MOSFET ביישום המסוים מגלה כי הפסדי הכוח הכוללים נשלטים על ידי הפסדי ההולכה כפי שהוכחו בתרשים העוגה הבא.

בנוסף נראה שאם עדיף MOSFET בערוץ P בעל חיובי שער דומים לזה של ערוץ N, הפסדי המיתוג יהיו זהים, אך ככל הנראה הפסדי ההולכה עשויים להיות גבוהים מדי.

לכן, עבור יישומי מיתוג נמוכים בתדרים נמוכים יותר, MOSFET בצד הגבוה של MOSFET צריך להיות בעל ערך דומה R _{DS (מופעל)} כמו זה של ערוץ ה- N הצדדי הנמוך.

נקודת מטען לא מבודדת (POL)

נקודת עומס שאינה מבודדת היא טופולוגיית ממיר כמו למשל בממירי באק בהם הפלט אינו מבודד מהקלט, בניגוד ל עיצובים של flyback כאשר שלבי הקלט והפלט מבודדים לחלוטין.

עבור נקודת עומס כה נמוכה שאינה מבודדת עם הספק יציאה נמוך מ- 10W, מהווה את אחד מקשיי התכנון הגדולים ביותר. הגודל צריך להיות מינימלי תוך שמירה על מידת יעילות מספקת.

אחת הדרכים הפופולריות להקטין את גודל הממיר היא להשתמש ב- mosfet בערוץ N כמנהג הצד הגבוה, ולהגדיל את תדירות ההפעלה לרמה גבוהה משמעותית. מיתוג מהיר יותר מאפשר שימוש בגודל משרן קטן יותר.

דיודות שוטקי מיושמות לעיתים קרובות לתיקון סינכרוני בסוגים אלה של מעגלים אולם MOSFET במקום זאת ללא ספק מהווים אפשרות טובה יותר מכיוון שירידת המתח עבור MOSFET בדרך כלל נמוכה משמעותית מדיודה.

גישה נוספת לחיסכון במקום תהיה החלפת MOSFET בערוץ N בצד הגבוה בערוץ P.

שיטת ה- P-channel נפטרת מהמעגלים המשלימים המורכבים להנעת השער, אשר הופך להיות הכרחי עבור MOSFET של ערוץ N בצד הגבוה.

התרשים שלהלן מדגים את העיצוב הבסיסי של ממיר באק עם MOSFET בערוץ P המיושם בצד הגבוה.

בדרך כלל תדרי המיתוג ביישומי נקודת עומס שאינם מבודדים יהיו קרוב ל -500 קילוהרץ, או אפילו לעיתים גבוהים עד 2 מגה-הרץ.

בניגוד למושגי העיצוב הקודמים, ההפסד העיקרי בתדרים כאלה מתברר כפסדי המיתוג.

האיור שלהלן מציין את האובדן מ- MOSFET ביישום נקודת עומס 3 וואט שאינו מבודד הפועל בתדר מיתוג של 1 מגה-הרץ.

כך הוא מראה את רמת טעינת השער שיש לציין לערוץ P כאשר הוא נבחר ליישום צד גבוה, ביחס למכשיר ערוץ N בצד גבוה.

סיכום

יישום MOSFET בערוץ P ללא ספק מעניק לך למעצבים יתרונות מבחינת פחות מסובך, אמין יותר ותצורה משופרת.

כאמור ליישום נתון, הפשרה בין ר_{DS (מופעל)}וש_זיש להעריך ברצינות בעת בחירת MOSFET בערוץ P. זאת על מנת להבטיח שערוץ p יוכל להציע ביצועים אופטימליים בדיוק כמו גרסת ה- n שלו.

דרך ארץ: אינפיניון