深度剖析H桥应用中的P沟道MOSFET

在H桥电路中实现P沟道MOSFET可能看起来既简单又诱人，但可能需要一些严格的计算和参数才能实现最佳响应。

P 沟道 MOSFET 通常用于负载 ON/OFF开关。高端P沟道选项易于使用，对于低压驱动（H桥网络）和非隔离负载点（降压转换器）等应用以及空间是关键限制的应用非常方便。

P沟道MOSFET的主要优点是围绕高端开关位置的经济型栅极驱动策略，通常有助于使系统非常经济高效。

在本文中，我们将探讨将P沟道MOSFET用作H桥应用的高端开关

P 通道与 N 通道的优缺点

当用于高端开关应用时，N沟道MOSFET的源极电压恰好相对于地的电位增加。

因此，在这里，操作N沟道MOSFET需要一个独立的栅极驱动器，例如自举电路，或涉及脉冲变压器级的布置。

这些驱动器需要单独的电源，而变压器负载有时会经历不兼容的情况。

另一方面，P沟道MOSFET可能不是这种情况。您可以使用普通电平转换器电路（电压电平转换器）轻松驱动P沟道高边开关。实现这一点可以简化电路并有效降低全面成本。

话虽如此，这里要考虑的一点是，可能很难达到相同的R。DS（开启）P沟道MOSFET的效率与使用类似芯片尺寸的N沟道相比。

由于 N 通道中的载流子流量大约是 P 通道中的流量的 2 到 3 倍，因此对于完全相同的 RDS（开启）范围 P 沟道器件的尺寸需要比 N

沟道器件大 2 到 3 倍。

封装尺寸越大，P沟道器件的热容差就越大，电流规格也会增加。由于外壳尺寸增加，这也成比例地影响其动态有效性。

因此，在导通损耗往往较高的低频应用中，P沟道MOSFET需要具有RDS（开启）对应于 N

沟道。在这种情况下，P沟道MOSFET内部区域应大于N沟道内部区域。

此外，在开关损耗通常较高的高频应用中，P 沟道 MOSFET 应具有与 N 沟道相当的栅极电荷值。

在这种情况下，P沟道MOSFET尺寸可以与N沟道相当，但与N沟道替代方案相比，电流规格更低。

因此，需要谨慎选择理想的P沟道MOSFET，同时考虑适当的R。DS（开启）和栅极电荷规格。

如何为应用选择 P 沟道 MOSFET

在许多开关应用中，可以有效地应用P沟道MOSFET，例如低压驱动和非隔离负载点。

在这些类型的应用中，决定MOSFET选择的关键准则通常是器件导通电阻（RDS（开启）） 和栅极电荷

（QG）。这些变量中的任何一个都会导致基于应用中的开关频率而变得更加重要。

为了应用于低压驱动网络，如全桥或B6桥（三相桥）配置，N沟道MOSFET通常与电机（负载）和直流电源一起使用。

N沟道器件的优点的折衷因素是栅极驱动器设计的复杂性更高。

N沟道高端开关的栅极驱动器需要一个自举电路，该电路产生的栅极电压大于电机电压电源轨，或者需要一个独立的电源来接通。增加设计复杂性通常会导致更多的设计工作和更大的装配面积。

下图显示了使用互补 P 沟道和 N 沟道 MOSFET 设计的电路与仅使用 4 个 N 沟道 MOSFET 设计的电路之间的差异。

仅使用 4 个 N 沟道 MOSFET

在这种布置中，如果高端开关采用P沟道MOSFET，则驱动器设计将极大地简化布局，如下所示：

使用 P 和 N 沟道 MOSFET

无需自举电荷泵即可切换高端开关。在这里，这可以直接由输入信号和电平转换器（3V至5V转换器或5V至12V转换器级）驱动。

为开关应用选择 P 沟道 MOSFET

通常，低压驱动系统的开关频率范围为10至50kHz。

在这些范围内，由于电机的高电流规格，几乎所有的MOSFET功率耗散都是通过传导损耗来实现的。

因此，在此类网络中，具有适当RDS（开启）应选择以达到最佳效率。

这可以通过考虑一个由30V电池供电的12W低压驱动器的插图来理解。

对于高端 P 沟道 MOSFET，我们可能有几个选择 - 一个具有等效的 RDS（开启）与低侧N沟道相当，另一侧具有相当的栅极电荷。

下表显示了适用于具有可比R的全桥低压驱动器的组件DS（开启）并且具有与低侧 N 沟道 MOSFET 相同的栅极电荷。

上表描述了特定应用中的MOSFET损耗，揭示了总功率损耗由传导损耗决定，如下图所示。

此外，如果首选P沟道MOSFET，其栅极电荷与N沟道相当，则开关损耗将是相同的，但传导损耗可能过高。

因此，对于频率较低的低开关应用，高端P沟道MOSFET应具有相当的RDS（开启）就像低边N沟道一样。

非隔离负载点 （POL）

非隔离负载点是一种转换器拓扑结构，例如在降压转换器中，输出不与输入隔离，这与反激式设计不同，后者的输入和输出级完全隔离。

对于这种输出功率低于10W的低功耗非隔离负载点，是最大的设计困难之一。尺寸必须最小，同时保持令人满意的效率。

减小转换器尺寸的一种常用方法是使用N沟道MOSFET作为高端驱动器，并将工作频率提高到更高的水平。更快的开关速度允许使用大幅缩小的电感器尺寸。

肖特基二极管通常用于这些类型的电路中的同步整流，但MOSFET无疑是更好的选择，因为MOSFET的压降通常远低于二极管。

另一种节省空间的方法是用P沟道代替高端N沟道MOSFET。

P沟道方法摆脱了复杂的补充电路来驱动栅极，这对于高端的N沟道MOSFET是必需的。

下图显示了在高端实现P沟道MOSFET的降压转换器的基本设计。

通常，非隔离负载点应用中的开关频率可能接近500kHz，甚至高达2MHz。

与早期的设计概念相反，这种频率下的主要损耗是开关损耗。

下图显示了以3MHz开关频率运行的1 W非隔离负载点应用中MOSFET的损耗。

因此，它显示了相对于高端N沟道器件，当为高端应用选择P沟道时，必须为P沟道指定的栅极电荷水平。

结论

毫无疑问，应用 P 沟道 MOSFET 会为设计人员带来更简单、更可靠和改进配置方面的优势。

也就是说，对于给定的应用程序，R 之间的折衷DS（开启）和 QG在选择 P 沟道 MOSFET

时应认真评估。这是为了确保p沟道能够提供与其n沟道变体一样的最佳性能。