Implementar 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 uma resposta ideal.
Os MOSFETs do canal P são geralmente implementados para comutação ON / OFF de carga. A facilidade de uso das opções de canal P no lado alto permite que sejam muito convenientes para aplicações como inversores de baixa tensão (redes H-Bridge) e pontos de carga não isolados (conversores Buck) e em aplicações nas quais o espaço é uma limitação crítica.
O principal benefício de um MOSFET de canal P é a estratégia econômica de acionamento do portão em torno da posição alta da chave lateral e geralmente ajuda a tornar o sistema muito econômico.
Neste artigo, exploramos o uso de MOSFETs de canal P como uma chave lateral alta para aplicações H-Bridge
Prós e contras do canal P versus canal N
Quando usado em uma aplicação de interruptor de lado alto a tensão da fonte de um MOSFET de canal N está em um potencial aumentado em relação ao terra.
Portanto, aqui operar um MOSFET de canal N necessita de um driver de porta independente, como um circuito de bootstrapping ou um arranjo envolvendo um estágio de transformador de pulso.
Esses drivers exigem uma fonte de alimentação separada, enquanto a carga do transformador pode ocasionalmente passar por circunstâncias incompatíveis.
Por outro lado, esse pode não ser o caso com um MOSFET de canal P. Você pode acionar facilmente uma chave lateral alta do canal P usando um circuito de troca de nível comum (trocador de nível de tensão). Conseguir isso simplifica o circuito e diminui efetivamente o custo geral.
Dito isso, o ponto a ser levado em consideração aqui é que pode ser extremamente difícil obter o R idênticoDS (ligado)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 das portadoras em um canal N é cerca de 2 a 3 vezes maior do que em um canal P, para o mesmo RDS (ligado)intervalo, o dispositivo de canal P precisa ser 2 a 3 vezes maior em tamanho do que sua contraparte de canal N.
O tamanho da embalagem maior faz com que a tolerância térmica do dispositivo do canal P diminua e também aumenta suas especificações atuais. Isso também impacta sua eficácia dinâmica proporcionalmente devido a um tamanho maior de case.
Portanto, em uma aplicação de baixa frequência em que as perdas de condução tendem a ser altas, um MOSFET de canal P precisa ter um RDS (ligado)correspondendo ao de um canal N. Em tal situação, a região interna do MOSFET do canal P deve ser maior do que a do canal N.
Além disso, em aplicações de alta frequência onde as perdas de comutação são geralmente altas, um MOSFET de canal P deve possuir um valor de taxas de porta comparável a um canal N.
Em casos como este, um tamanho de MOSFET de canal P poderia ser igual ao canal N, mas com uma especificação de corrente reduzida em comparação com uma alternativa de canal N.
Portanto, um MOSFET de canal P ideal precisa ser escolhido com cautela, levando em consideração o R adequadoDS (ligado)e especificações de carga de portão.
Como selecionar um MOSFET de canal P para uma aplicação
Existem inúmeras aplicações de chaveamento onde um MOSFET de canal P pode ser aplicado com eficácia, por exemplo, inversores de baixa tensão e pontos de carga não isolados.
Nestes tipos de aplicações, as diretrizes cruciais que regem a escolha do MOSFET são geralmente a resistência do dispositivo ON (RDS (ligado)) e a Taxa de Portão (QG) Qualquer uma dessas variáveis resulta em ser de maior importância com base na frequência de chaveamento na aplicação.
Para aplicação em redes de drives de baixa tensão, como configuração de ponte completa ou ponte B6 (ponte trifásica), os MOSFETs de canal N são comumente empregados com motor (carga) e alimentação DC.
O fator comprometedor para os aspectos positivos apresentados pelos dispositivos de canal N é a maior complexidade no projeto do gate-driver.
Um driver de portão de um switch de canal N alto exige um circuito de bootstrap que cria uma tensão de porta maior do que o trilho de alimentação de tensão do motor ou, alternativamente, uma fonte de alimentação independente para ligá-lo. O aumento da complexidade do projeto geralmente leva a um maior trabalho de projeto e maior área de montagem.
A figura abaixo demonstra a diferença entre o circuito projetado usando MOSFETs de canal P e N complementares e o circuito com 4 MOSFETs de canal N apenas.
Usando apenas 4 MOSFETS de canal N
Neste arranjo, se o interruptor do lado alto for construído com um MOSFET de canal P, o design do driver simplifica o layout tremendamente., Conforme mostrado abaixo:
Usando MOSFETs dos canais P e N
A necessidade de um bootstrapped bomba de carga é eliminado para alternar o interruptor do lado alto. Aqui, isso pode ser simplesmente acionado diretamente pelo sinal de entrada e por meio de um deslocador de nível (conversor de 3 V para 5 V ou estágio de conversor de 5 V para 12 V).
Seleção de MOSFETs de canal P para aplicativos de comutação
Normalmente, os sistemas de acionamento de baixa tensão funcionam com frequências de comutação na faixa de 10 a 50 kHz.
Nessas faixas, quase toda a dissipação de potência do MOSFET ocorre por meio de perdas de condução, devido às especificações de alta corrente do motor.
Portanto, em tais redes, um MOSFET de canal P com R apropriadoDS (ligado)deve ser escolhido para atingir a eficiência ideal.
Isso pode ser entendido contemplando uma ilustração de um Drive de Baixa Tensão de 30W operado com uma bateria de 12V.
Para um MOSFET de canal P de lado alto, podemos ter algumas opções em mãos - uma para ter um R equivalenteDS (ligado)comparável com o canal N do lado inferior e o outro para ter taxas de porta comparáveis.
A tabela a seguir abaixo exibe os componentes aplicáveis para o inversor de baixa tensão de ponte completa com R comparávelDS (ligado)e com taxas de porta idênticas às do MOSFET do canal N no lado inferior.
A tabela acima que descreve as perdas do MOSFET dentro de uma aplicação específica revela que as perdas de energia gerais são governadas pelas perdas de condução, conforme comprovado no gráfico de pizza a seguir.
Além disso, parece que se o MOSFET do canal P for preferível com cargas de porta comparáveis às do canal N, as perdas de comutação serão idênticas, mas as perdas de condução podem provavelmente ser excessivamente altas.
Portanto, para aplicações de comutação baixa com frequências mais baixas, o MOSFET do canal P do lado alto deve ter um R comparável DS (ligado) como aquele do canal N do lado inferior.
Ponto de carga não isolado (POL)
Ponto de carga não isolado é uma topologia de conversor, como em conversores Buck, onde a saída não é isolada da entrada, ao contrário do designs flyback onde os estágios de entrada e saída são completamente isolados.
Para tal Ponto de Carga não isolado de baixa potência com potência de saída inferior a 10W, 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 do 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 reduzido.
Os diodos Schottky são frequentemente implementados para retificação síncrona nesses tipos de circuitos, no entanto, os MOSFETs, sem dúvida, são uma opção melhor, já que a queda de tensão para os MOSFETs é geralmente substancialmente menor do 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 os complexos circuitos suplementares para conduzir o gate, que se torna necessário para um MOSFET do canal N no lado alto.
O diagrama abaixo demonstra o projeto fundamental de um conversor buck tendo um MOSFET de canal P implementado no lado alto.
Normalmente, as frequências de chaveamento em aplicações de ponto de carga não isoladas provavelmente serão próximas a 500 kHz, ou mesmo às vezes tão altas quanto 2 MHz.
Contrariando os conceitos de projeto anteriores, a perda principal em tais frequências acaba sendo as perdas de comutação.
A figura abaixo indica a perda de um MOSFET em um aplicativo de ponto de carga não isolado de 3 watts em execução a uma frequência de chaveamento de 1 MHz.
Assim, ele mostra o nível de carga de porta que deve ser especificado para um canal P quando ele é selecionado para uma aplicação de lado alto, com respeito a um dispositivo de canal N de lado alto.
Conclusão
A aplicação de um MOSFET de canal P sem dúvida oferece vantagens aos projetistas em termos de configuração menos complicada, mais confiável e melhorada.
Dito isso, para uma determinada aplicação, o compromisso entre RDS (ligado)e QGdeve ser avaliado seriamente ao selecionar um MOSFET de canal P. Isso é para garantir que o canal p seja capaz de oferecer um desempenho ideal, assim como sua variante de canal n.
Cortesia: Infineon
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