深度剖析H橋應用中的P溝道MOSFET

在H橋電路中實現(xiàn)P溝道MOSFET可能看起來既簡單又誘人，但可能需要一些嚴格的計算和參數(shù)才能實現(xiàn)最佳響應。

P 溝道 MOSFET 通常用于負載 ON/OFF開關。高端P溝道選項易于使用，對于低壓驅動（H橋網(wǎng)絡）和非隔離負載點（降壓轉換器）等應用以及空間是關鍵限制的應用非常方便。

P溝道MOSFET的主要優(yōu)點是圍繞高端開關位置的經(jīng)濟型柵極驅動策略，通常有助于使系統(tǒng)非常經(jīng)濟高效。

在本文中，我們將探討將P溝道MOSFET用作H橋應用的高端開關

P 通道與 N 通道的優(yōu)缺點

當用于高端開關應用時，N溝道MOSFET的源極電壓恰好相對于地的電位增加。

因此，在這里，操作N溝道MOSFET需要一個獨立的柵極驅動器，例如自舉電路，或涉及脈沖變壓器級的布置。

這些驅動器需要單獨的電源，而變壓器負載有時會經(jīng)歷不兼容的情況。

另一方面，P溝道MOSFET可能不是這種情況。您可以使用普通電平轉換器電路（電壓電平轉換器）輕松驅動P溝道高邊開關。實現(xiàn)這一點可以簡化電路并有效降低全面成本。

話雖如此，這里要考慮的一點是，可能很難達到相同的R。DS（開啟）P溝道MOSFET的效率與使用類似芯片尺寸的N溝道相比。

由于 N 通道中的載流子流量大約是 P 通道中的流量的 2 到 3 倍，因此對于完全相同的 RDS（開啟）范圍 P 溝道器件的尺寸需要比 N

溝道器件大 2 到 3 倍。

封裝尺寸越大，P溝道器件的熱容差就越大，電流規(guī)格也會增加。由于外殼尺寸增加，這也成比例地影響其動態(tài)有效性。

因此，在導通損耗往往較高的低頻應用中，P溝道MOSFET需要具有RDS（開啟）對應于 N

溝道。在這種情況下，P溝道MOSFET內部區(qū)域應大于N溝道內部區(qū)域。

此外，在開關損耗通常較高的高頻應用中，P 溝道 MOSFET 應具有與 N 溝道相當?shù)臇艠O電荷值。

在這種情況下，P溝道MOSFET尺寸可以與N溝道相當，但與N溝道替代方案相比，電流規(guī)格更低。

因此，需要謹慎選擇理想的P溝道MOSFET，同時考慮適當?shù)腞。DS（開啟）和柵極電荷規(guī)格。

如何為應用選擇 P 溝道 MOSFET

在許多開關應用中，可以有效地應用P溝道MOSFET，例如低壓驅動和非隔離負載點。

在這些類型的應用中，決定MOSFET選擇的關鍵準則通常是器件導通電阻（RDS（開啟）） 和柵極電荷

（QG）。這些變量中的任何一個都會導致基于應用中的開關頻率而變得更加重要。

為了應用于低壓驅動網(wǎng)絡，如全橋或B6橋（三相橋）配置，N溝道MOSFET通常與電機（負載）和直流電源一起使用。

N溝道器件的優(yōu)點的折衷因素是柵極驅動器設計的復雜性更高。

N溝道高端開關的柵極驅動器需要一個自舉電路，該電路產(chǎn)生的柵極電壓大于電機電壓電源軌，或者需要一個獨立的電源來接通。增加設計復雜性通常會導致更多的設計工作和更大的裝配面積。

下圖顯示了使用互補 P 溝道和 N 溝道 MOSFET 設計的電路與僅使用 4 個 N 溝道 MOSFET 設計的電路之間的差異。

僅使用 4 個 N 溝道 MOSFET

在這種布置中，如果高端開關采用P溝道MOSFET，則驅動器設計將極大地簡化布局，如下所示：

使用 P 和 N 溝道 MOSFET

無需自舉電荷泵即可切換高端開關。在這里，這可以直接由輸入信號和電平轉換器（3V至5V轉換器或5V至12V轉換器級）驅動。

為開關應用選擇 P 溝道 MOSFET

通常，低壓驅動系統(tǒng)的開關頻率范圍為10至50kHz。

在這些范圍內，由于電機的高電流規(guī)格，幾乎所有的MOSFET功率耗散都是通過傳導損耗來實現(xiàn)的。

因此，在此類網(wǎng)絡中，具有適當RDS（開啟）應選擇以達到最佳效率。

這可以通過考慮一個由30V電池供電的12W低壓驅動器的插圖來理解。

對于高端 P 溝道 MOSFET，我們可能有幾個選擇 - 一個具有等效的 RDS（開啟）與低側N溝道相當，另一側具有相當?shù)臇艠O電荷。

下表顯示了適用于具有可比R的全橋低壓驅動器的組件DS（開啟）并且具有與低側 N 溝道 MOSFET 相同的柵極電荷。

上表描述了特定應用中的MOSFET損耗，揭示了總功率損耗由傳導損耗決定，如下圖所示。

此外，如果首選P溝道MOSFET，其柵極電荷與N溝道相當，則開關損耗將是相同的，但傳導損耗可能過高。

因此，對于頻率較低的低開關應用，高端P溝道MOSFET應具有相當?shù)腞DS（開啟）就像低邊N溝道一樣。

非隔離負載點 （POL）

非隔離負載點是一種轉換器拓撲結構，例如在降壓轉換器中，輸出不與輸入隔離，這與反激式設計不同，后者的輸入和輸出級完全隔離。

對于這種輸出功率低于10W的低功耗非隔離負載點，是最大的設計困難之一。尺寸必須最小，同時保持令人滿意的效率。

減小轉換器尺寸的一種常用方法是使用N溝道MOSFET作為高端驅動器，并將工作頻率提高到更高的水平。更快的開關速度允許使用大幅縮小的電感器尺寸。

肖特基二極管通常用于這些類型的電路中的同步整流，但MOSFET無疑是更好的選擇，因為MOSFET的壓降通常遠低于二極管。

另一種節(jié)省空間的方法是用P溝道代替高端N溝道MOSFET。

P溝道方法擺脫了復雜的補充電路來驅動柵極，這對于高端的N溝道MOSFET是必需的。

下圖顯示了在高端實現(xiàn)P溝道MOSFET的降壓轉換器的基本設計。

通常，非隔離負載點應用中的開關頻率可能接近500kHz，甚至高達2MHz。

與早期的設計概念相反，這種頻率下的主要損耗是開關損耗。

下圖顯示了以3MHz開關頻率運行的1 W非隔離負載點應用中MOSFET的損耗。

因此，它顯示了相對于高端N溝道器件，當為高端應用選擇P溝道時，必須為P溝道指定的柵極電荷水平。

結論

毫無疑問，應用 P 溝道 MOSFET 會為設計人員帶來更簡單、更可靠和改進配置方面的優(yōu)勢。

也就是說，對于給定的應用程序，R 之間的折衷DS（開啟）和 QG在選擇 P 溝道 MOSFET

時應認真評估。這是為了確保p溝道能夠提供與其n溝道變體一樣的最佳性能。