HブリッジアプリケーションのPチャネルMOSFET

Hブリッジ回路にPチャネルMOSFETを実装することは簡単で魅力的に見えるかもしれませんが、最適な応答を達成するためにいくつかの厳密な計算とパラメータが必要になる場合があります。

PチャネルMOSFETは通常、負荷のオン/オフ切り替え用に実装されます。ハイサイドのPチャネルオプションの使いやすさにより、低電圧ドライブ（Hブリッジネットワーク）や非絶縁型負荷点（バックコンバーター）などのアプリケーションや、次のようなアプリケーションに非常に便利です。スペースは重大な制限です。

PチャネルMOSFETの主な利点は、ハイサイドスイッチ位置周辺の経済的なゲート駆動戦略であり、一般にシステムを非常に費用効果の高いものにするのに役立ちます。

この記事では、HブリッジアプリケーションのハイサイドスイッチとしてのPチャネルMOSFETの使用について説明します。

PチャネルとNチャネルの長所と短所

いつ ハイサイドスイッチアプリケーションで使用 NチャネルMOSFETのソース電圧は、グランドに対して電位が高くなっています。

したがって、ここでNチャネルMOSFETを動作させるには、ブートストラップ回路などの独立したゲートドライバ、またはパルストランス段を含む構成が必要です。

これらのドライバーは別の電源を必要としますが、変圧器の負荷は互換性のない状況を通過する場合があります。

一方、これはPチャネルMOSFETの場合とは異なります。通常のレベルシフター回路（電圧レベルチェンジャー）を使用して、Pチャンネルハイサイドスイッチを簡単に駆動できます。これを実現すると、回路が合理化され、全体的なコストが効果的に削減されます。

そうは言っても、ここで考慮すべき点は、同じRを達成するのは非常に難しいかもしれないということです。_{DS（オン）}同様のチップ寸法を使用するNチャネルとは対照的に、PチャネルMOSFETの効率。

まったく同じRの場合、Nチャネル内のキャリアのフローはPチャネルのフローの約2〜3倍であるという事実により、_{DS（オン）}範囲Pチャネルデバイスは、Nチャネルデバイスの2〜3倍のサイズである必要があります。

パッケージサイズが大きくなると、Pチャネルデバイスの熱耐性が低下し、現在の仕様も増加します。これは、ケースサイズが大きくなるため、動的な有効性にも比例して影響します。

したがって、導通損失が高くなる傾向がある低周波アプリケーションでは、PチャネルMOSFETはRを持っている必要があります_{DS（オン）}Nチャネルのそれに対応します。このような状況では、PチャネルMOSFETの内部領域はNチャネルの内部領域よりも大きくなければなりません。

さらに、スイッチング損失が通常高い高周波アプリケーションでは、PチャネルMOSFETはNチャネルに匹敵するゲート電荷の値を持っている必要があります。

このような場合、PチャネルMOSFETのサイズはNチャネルと同等になる可能性がありますが、Nチャネルの代替品と比較して電流仕様が小さくなります。

したがって、適切なRを考慮して、理想的なPチャネルMOSFETを慎重に選択する必要があります。_{DS（オン）}およびゲート電荷の仕様。

アプリケーション用のPチャネルMOSFETを選択する方法

PチャネルMOSFETを効果的に適用できるスイッチングアプリケーションは数多くあります。たとえば、低電圧ドライブや非絶縁型の負荷点などです。

これらのタイプのアプリケーションでは、MOSFETの選択を管理する重要なガイドラインは通常、デバイスのオン抵抗（R_{DS（オン）}）およびゲート電荷（Q_G）。これらの変数のいずれかは、アプリケーションのスイッチング周波数に基づいてより重要になります。

フルブリッジまたはB6ブリッジ（3相ブリッジ）構成などの低電圧ドライブネットワークに適用するには、NチャネルMOSFETが一般的に使用されます。 モーター（負荷）とDC電源付き。

Nチャネルデバイスによって提示される肯定的な側面の妥協要因は、ゲートドライバの設計がより複雑になることです。

Nチャネルハイサイドスイッチのゲートドライバは、 ブートストラップ回路 これは、モーター電圧供給レールよりも大きいゲート電圧を生成するか、あるいはそれをオンにするための独立した電源を生成します。設計の複雑さが増すと、一般に、設計作業が増え、組み立て面積が大きくなります。

次の図は、相補型PおよびNチャネルMOSFETを使用して設計された回路と、4つのNチャネルMOSFETのみを使用した回路の違いを示しています。

4つのNチャネルMOSFETのみを使用

この配置では、ハイサイドスイッチがPチャネルMOSFETで構築されている場合、以下に示すように、ドライバーの設計によりレイアウトが大幅に簡素化されます。

PおよびNチャネルMOSFETの使用

ブートストラップの必要性 チャージポンプ ハイサイドスイッチの切り替えは不要です。ここでは、これは入力信号とレベルシフター（3Vから5Vへのコンバーター、または5Vから12Vへのコンバーターステージ）を介して直接駆動することができます。

スイッチングアプリケーション用のPチャネルMOSFETの選択

通常、低電圧ドライブシステムは、10〜50kHzの範囲のスイッチング周波数で動作します。

これらの範囲では、モーターの大電流仕様により、MOSFETの電力損失のほぼすべてが導通損失によって発生します。

したがって、このようなネットワークでは、適切なRを備えたPチャネルMOSFET_{DS（オン）}最適な効率を達成するために選択する必要があります。

これは、12Vバッテリーで動作する30W低電圧ドライブの図を検討することで理解できます。

ハイサイドPチャネルMOSFETの場合、いくつかのオプションがあります。1つは同等のRを使用するオプションです。_{DS（オン）}ローサイドNチャネルに匹敵し、他のチャネルは同等のゲート電荷を持ちます。

次の表は、同等のRを備えたフルブリッジ低電圧ドライブに適用可能なコンポーネントを示しています。_{DS（オン）}ローサイドのNチャネルMOSFETと同じゲート電荷を持ちます。

特定のアプリケーション内のMOSFET損失を示した上記の表は、次の円グラフで証明されているように、全体的な電力損失が伝導損失によって支配されていることを示しています。

さらに、Nチャネルと同等のゲート電荷を持つPチャネルMOSFETが好ましい場合、スイッチング損失は同じになりますが、伝導損失はおそらく過度に高くなる可能性があります。

したがって、低周波数の低スイッチングアプリケーションの場合、ハイサイドPチャネルMOSFETは、同等のRを備えている必要があります。 _{DS（オン）} ローサイドNチャンネルのように。

非絶縁点（POL）

非絶縁ポイントオブロードは、バックコンバータなどのコンバータトポロジであり、出力が入力から絶縁されていません。 フライバックデザイン ここで、入力段と出力段は完全に分離されています。

出力電力が10W未満のこのような低電力の非絶縁負荷点の場合、設計上の最大の問題の1つになります。十分な効率を維持しながら、サイジングを最小限に抑える必要があります。

コンバータのサイズを小さくする一般的な方法の1つは、ハイサイドドライバとしてNチャネルMOSFETを使用し、動作周波数を大幅に高いレベルに上げることです。より高速なスイッチングにより、大幅に縮小されたインダクタサイズを使用できます。

ショットキーダイオードは、これらのタイプの回路で同期整流用に実装されることがよくありますが、MOSFETの電圧降下は通常、ダイオードよりも大幅に低いため、MOSFETの方が間違いなく優れたオプションです。

もう1つの省スペースのアプローチは、ハイサイドNチャネルMOSFETをPチャネルに置き換えることです。

Pチャネル方式は、ゲートを駆動するための複雑な補助回路を取り除きます。これは、ハイサイドのNチャネルMOSFETに必要になります。

下の図は、ハイサイドにPチャネルMOSFETが実装されたバックコンバータの基本設計を示しています。

通常、非絶縁のポイントオブロードアプリケーションのスイッチング周波数は、500kHzに近いか、最大2MHzの場合もあります。

以前の設計概念とは対照的に、このような周波数での主な損失はスイッチング損失であることが判明しました。

次の図は、1MHzのスイッチング周波数で動作する3ワットの非絶縁ポイントオブロードアプリケーションでのMOSFETからの損失を示しています。

したがって、ハイサイドNチャネルデバイスに関して、ハイサイドアプリケーション用に選択されたときにPチャネルに指定する必要があるゲート電荷のレベルを示します。

結論

PチャネルMOSFETを適用すると、複雑さが軽減され、信頼性が高く、構成が改善されるという点で、設計者に利点がもたらされることは間違いありません。

とはいえ、特定のアプリケーションでは、R間の妥協点_{DS（オン）}とQ_GPチャネルMOSFETを選択する際には、真剣に評価する必要があります。これは、pチャネルがnチャネルバリアントと同じように最適なパフォーマンスを提供できるようにするためです。

礼儀： インフィニオン