深度剖析H橋應(yīng)用中的P溝道MOSFET

在H橋電路中實(shí)現(xiàn)P溝道MOSFET可能看起來(lái)既簡(jiǎn)單又誘人，但可能需要一些嚴(yán)格的計(jì)算和參數(shù)才能實(shí)現(xiàn)最佳響應(yīng)。

P 溝道 MOSFET 通常用于負(fù)載 ON/OFF開(kāi)關(guān)。高端P溝道選項(xiàng)易于使用，對(duì)于低壓驅(qū)動(dòng)（H橋網(wǎng)絡(luò)）和非隔離負(fù)載點(diǎn)（降壓轉(zhuǎn)換器）等應(yīng)用以及空間是關(guān)鍵限制的應(yīng)用非常方便。

P溝道MOSFET的主要優(yōu)點(diǎn)是圍繞高端開(kāi)關(guān)位置的經(jīng)濟(jì)型柵極驅(qū)動(dòng)策略，通常有助于使系統(tǒng)非常經(jīng)濟(jì)高效。

在本文中，我們將探討將P溝道MOSFET用作H橋應(yīng)用的高端開(kāi)關(guān)

P 通道與 N 通道的優(yōu)缺點(diǎn)

當(dāng)用于高端開(kāi)關(guān)應(yīng)用時(shí)，N溝道MOSFET的源極電壓恰好相對(duì)于地的電位增加。

因此，在這里，操作N溝道MOSFET需要一個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器，例如自舉電路，或涉及脈沖變壓器級(jí)的布置。

這些驅(qū)動(dòng)器需要單獨(dú)的電源，而變壓器負(fù)載有時(shí)會(huì)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(zhuǎn)換器電路（電壓電平轉(zhuǎn)換器）輕松驅(qū)動(dòng)P溝道高邊開(kāi)關(guān)。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)可以簡(jiǎn)化電路并有效降低全面成本。

話雖如此，這里要考慮的一點(diǎn)是，可能很難達(dá)到相同的R。DS（開(kāi)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(duì)于完全相同的 RDS（開(kāi)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(huì)增加。由于外殼尺寸增加，這也成比例地影響其動(dòng)態(tài)有效性。

因此，在導(dǎo)通損耗往往較高的低頻應(yīng)用中，P溝道MOSFET需要具有RDS（開(kāi)啟）對(duì)應(yīng)于 N

溝道。在這種情況下，P溝道MOSFET內(nèi)部區(qū)域應(yīng)大于N溝道內(nèi)部區(qū)域。

此外，在開(kāi)關(guān)損耗通常較高的高頻應(yīng)用中，P 溝道 MOSFET 應(yīng)具有與 N 溝道相當(dāng)?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(dāng)，但與N溝道替代方案相比，電流規(guī)格更低。

因此，需要謹(jǐn)慎選擇理想的P溝道MOSFET，同時(shí)考慮適當(dāng)?shù)腞。DS（開(kāi)啟）和柵極電荷規(guī)格。

如何為應(yīng)用選擇 P 溝道 MOSFET

在許多開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，可以有效地應(yīng)用P溝道MOSFET，例如低壓驅(qū)動(dòng)和非隔離負(fù)載點(diǎn)。

在這些類型的應(yīng)用中，決定MOSFET選擇的關(guān)鍵準(zhǔn)則通常是器件導(dǎo)通電阻（RDS（開(kāi)啟）） 和柵極電荷

（QG）。這些變量中的任何一個(gè)都會(huì)導(dǎo)致基于應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)頻率而變得更加重要。

為了應(yīng)用于低壓驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，如全橋或B6橋（三相橋）配置，N溝道MOSFET通常與電機(jī)（負(fù)載）和直流電源一起使用。

N溝道器件的優(yōu)點(diǎn)的折衷因素是柵極驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性更高。

N溝道高端開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器需要一個(gè)自舉電路，該電路產(chǎn)生的柵極電壓大于電機(jī)電壓電源軌，或者需要一個(gè)獨(dú)立的電源來(lái)接通。增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性通常會(huì)導(dǎo)致更多的設(shè)計(jì)工作和更大的裝配面積。

下圖顯示了使用互補(bǔ) P 溝道和 N 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)的電路與僅使用 4 個(gè) N 溝道 MOSFET 設(shè)計(jì)的電路之間的差異。

僅使用 4 個(gè) N 溝道 MOSFET

在這種布置中，如果高端開(kāi)關(guān)采用P溝道MOSFET，則驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)將極大地簡(jiǎn)化布局，如下所示：

使用 P 和 N 溝道 MOSFET

無(wú)需自舉電荷泵即可切換高端開(kāi)關(guān)。在這里，這可以直接由輸入信號(hào)和電平轉(zhuǎn)換器（3V至5V轉(zhuǎn)換器或5V至12V轉(zhuǎn)換器級(jí)）驅(qū)動(dòng)。

為開(kāi)關(guān)應(yīng)用選擇 P 溝道 MOSFET

通常，低壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率范圍為10至50kHz。

在這些范圍內(nèi)，由于電機(jī)的高電流規(guī)格，幾乎所有的MOSFET功率耗散都是通過(guò)傳導(dǎo)損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

因此，在此類網(wǎng)絡(luò)中，具有適當(dāng)RDS（開(kāi)啟）應(yīng)選擇以達(dá)到最佳效率。

這可以通過(guò)考慮一個(gè)由30V電池供電的12W低壓驅(qū)動(dòng)器的插圖來(lái)理解。

對(duì)于高端 P 溝道 MOSFET，我們可能有幾個(gè)選擇 - 一個(gè)具有等效的 RDS（開(kāi)啟）與低側(cè)N溝道相當(dāng)，另一側(cè)具有相當(dāng)?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(qū)動(dòng)器的組件DS（開(kāi)啟）并且具有與低側(cè) N 溝道 MOSFET 相同的柵極電荷。

上表描述了特定應(yīng)用中的MOSFET損耗，揭示了總功率損耗由傳導(dǎo)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(dāng)，則開(kāi)關(guān)損耗將是相同的，但傳導(dǎo)損耗可能過(guò)高。

因此，對(duì)于頻率較低的低開(kāi)關(guān)應(yīng)用，高端P溝道MOSFET應(yīng)具有相當(dāng)?shù)腞DS（開(kāi)啟）就像低邊N溝道一樣。

非隔離負(fù)載點(diǎn) （POL）

非隔離負(fù)載點(diǎn)是一種轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如在降壓轉(zhuǎn)換器中，輸出不與輸入隔離，這與反激式設(shè)計(jì)不同，后者的輸入和輸出級(jí)完全隔離。

對(duì)于這種輸出功率低于10W的低功耗非隔離負(fù)載點(diǎn)，是最大的設(shè)計(jì)困難之一。尺寸必須最小，同時(shí)保持令人滿意的效率。

減小轉(zhuǎn)換器尺寸的一種常用方法是使用N溝道MOSFET作為高端驅(qū)動(dòng)器，并將工作頻率提高到更高的水平。更快的開(kāi)關(guān)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(wú)疑是更好的選擇，因?yàn)镸OSFET的壓降通常遠(yuǎn)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(fù)雜的補(bǔ)充電路來(lái)驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O，這對(duì)于高端的N溝道MOSFET是必需的。

下圖顯示了在高端實(shí)現(xiàn)P溝道MOSFET的降壓轉(zhuǎn)換器的基本設(shè)計(jì)。

通常，非隔離負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用中的開(kāi)關(guān)頻率可能接近500kHz，甚至高達(dá)2MHz。

與早期的設(shè)計(jì)概念相反，這種頻率下的主要損耗是開(kāi)關(guān)損耗。

下圖顯示了以3MHz開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行的1 W非隔離負(fù)載點(diǎn)應(yīng)用中MOSFET的損耗。

因此，它顯示了相對(duì)于高端N溝道器件，當(dāng)為高端應(yīng)用選擇P溝道時(shí)，必須為P溝道指定的柵極電荷水平。

結(jié)論

毫無(wú)疑問(wèn)，應(yīng)用 P 溝道 MOSFET 會(huì)為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更簡(jiǎn)單、更可靠和改進(jìn)配置方面的優(yōu)勢(shì)。

也就是說(shuō)，對(duì)于給定的應(yīng)用程序，R 之間的折衷DS（開(kāi)啟）和 QG在選擇 P 溝道 MOSFET

時(shí)應(yīng)認(rèn)真評(píng)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。