P溝道功率MOSFETs及其應用

Littelfuse P溝道功率MOSFETs，雖不及廣泛使用的N溝道MOSFETs出名，在傳統的應用范圍也較有限，然而，隨著低壓（LV）應用需求的增加， P溝道功率MOSFET的應用范圍得到拓展。高端側（HS）應用P溝道的簡易性使其對低壓變換器（<120V）和非隔離的負載點更具吸引力。

因為無需電荷泵或額外的電壓源，高端側（HS）P溝道MOSFET易于驅動，具有設計簡單、節省空間，零件數量少等特點，提升了成本效率。本文通過對N溝道和P溝道MOSFETs進行比較，介紹Littelfuse P溝道功率MOSFETs，探究其目標應用。

N溝道和P溝道功率MOSFET的比較分析 

MOSFET截面圖（如圖1）表明N溝道和P溝道功率MOSFETs之間的差異。N溝道MOSFET需要柵極和源極（Vgs）間施加正電壓才能導通，而P溝道MOSFET則需要負Vgs電壓。兩者的主要區別在于反向摻雜物質：P溝道MOSFETs依賴空穴為主要電荷載流子而產生空穴電流，而N溝道器件利用電子產生電子流。由于N溝道的電子遷移率大約是空穴的2~3倍，因此，在P溝道器件中移動空穴比在N溝道器件中移動電子，更具挑戰性。這也是P溝道MOSFET具有更高通態電阻的原因。因此，對于和N溝道相同芯片尺寸的P溝道MOSFETs而言，實現相同的通態電阻（RDS(on)），是不太現實。

圖1：N溝道和P溝道功率MOSFETs橫截面及其符號標示

為實現與N溝道MOSFET相同的通態電阻RDS(on)，P溝道則需要2~3倍的晶圓尺寸，因此，在低導通損耗至關重要的大電流應用場景中，具有較低RDS(on)的大晶圓面積P溝道MOSFET并非理想選擇。另外，雖然具有較大芯片尺寸P溝道器件提供了更好的熱性能，但表現出更大的固有電容，從而導致更高的開關損耗。當系統工作在高開關頻率時，這一缺點顯著影響了器件的開關損耗。

在更關注導通損耗的低頻應用中，若P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的RDS(on)相匹配，則需要更大的芯片面積。相反，在高頻應用中優先考慮開關損耗，P溝道MOSFET應該與N溝道對應的總柵極電荷一致，通常具有相似的芯片大小但額定電流較低。因此，選擇合適的P溝道MOSFET需要仔細考慮器件的RDS(on)、柵極電荷（Qg）規格及熱性能。

P溝道功率MOSFETs 

Littelfuse經過驗證的多系列工業級P溝道功率MOSFETs，具有多種優異特性：業界最高的P MOSFETs電壓等級、最低的RDS(on)和Qg、高雪崩能量額定值、卓越的開關性能和優越的安全工作區域（SOA），在標準工業和獨特隔離封裝方面具有業界一流的性能。Littelfuse P溝道MOSFETs保留了類似N溝道MOSFETs的基本特性：高速開關、有效的柵極電壓控制和良好的溫度穩定性。

圖2：Littelfuse提供的P溝道功率MOSFET產品組合

圖2示出了Littelfuse P溝道功率MOSFET的關鍵指標。StandardP和PolarP?平面器件的額定電壓值為-100V~-600V，額定電流為-2A~-170A。Polar P?提供了優化的單元結構，具有低通態電阻和改進的開關性能，而StandardP受益于更好的SOA性能。TrenchP采用了更緊密的溝槽柵極單元結構，提供極低的RDS(on)、低柵極電荷、快速體二極管和更快的開關頻率，額定電壓范圍為-50V~-200V，額定電流為-10A~-210A。最新發布的IXTY2P50P0PA（-500V，-2A，4.2Ω）產品，是適用于汽車應用的首款車規級P溝道功率MOSFET。

P溝道功率MOSFETs應用 

Littelfuse P溝道功率MOSFETs在工業和汽車驅動中有著廣泛的應用，如電池、反極性保護、HS負載開關、DC-DC轉換器、車載充電器和低壓逆變器。

P溝道功率MOSFETs半橋應用 

典型半橋（HB）應用中，N溝道MOSFETs通常應用于功率級電路。然而，N溝道HS開關需要自舉電路產生柵極電壓，參考于HS MOSFET源極電壓的浮動電壓或導通HS MOSFET的隔離電源，如圖3a)所示。因此，在半橋高端使用N溝道器件是以增加柵極驅動設計的復雜性為代價。圖3對比了使用互補MOSFETs和N溝道MOSFETs的電路。當P溝道MOSFET作為HS開關管（圖3b)），極大簡化了驅動器設計。這種結構去除了驅動HS開關管的電荷泵，且P溝道MOSFET可以輕松地通過簡單的電平轉移器被單片機控制。該電路不僅降低了設計難度，減少了器件數量，同時實現成本和空間的最優化利用。

圖3：HB應用中簡化了HS驅動，HS開關管由 a) N溝道MOSFET改變至 b) P溝道MOSFET

正負極反接保護 

正負極反接保護作為系統的一種安全措施，防止電源反向連接造成潛在的火災危險及損壞。圖4a)為使用P溝道MOSFET實現的反接保護。電池正確連接時，體二極管工作直至MOSFET導通；當電池反接時，體二極管反向偏置，此時柵極和源極電位相同，P溝道MOSFET關斷。P溝道MOSFET柵極電壓受制于齊納二極管鉗位，當電壓過高時進行保護。

圖4：a) 反接保護和 b) 使用P溝道MOSFET作為負載開關

負載開關 

負載開關將電壓軌與特定負載接通或關斷，為系統管理電源提供一種經濟而簡單的方法。圖4b)為使用P溝道功率MOSFET作為負載開關的電路。該電路通過邏輯使能（EN）信號驅動Q1（NMOSFET）來控制PMOSFET。當EN為低時，Q1關閉，P MOSFET柵極被拉至VBAT。相反，當EN為高時，Q1導通，P MOSFET柵極接地，負載開關導通。如果VBAT高于PMOSFET的閾值電壓，則EN為高時導通，消除了對NMOSFET所必需的額外電壓源來偏置柵極的需要。同時串聯電阻以限制電路中的電流，并聯齊納二極管來鉗位柵極電壓。

DC-DC轉換器 

低功率DC-DC轉換器中，圖5a)所示的同步降壓轉換器使用PMOSFET器件作為HS開關管，該設計簡化了電路，節省了空間，取消了外部柵極驅動電路，同時減少了材料清單（BOM），提高了效率。相同地，在同步升壓轉換器中，P溝道MOSFET器件可以作為輸出同步整流器取代二極管，如圖5b)所示。受益于P溝道MOSFET改進的FoM（FoM = RDS(on)* Qg），轉換器效率得到了提高。

圖5：使用互補MOSFETs的低功率 a) 同步降壓轉換器和 b) 同步升壓轉換器

結束語 

隨著現代低壓應用的發展，Littelfuse P溝道功率MOSFET滿足了當今電力電子不斷發展所需的通用功能。Littelfuse P溝道MOSFETs的廣泛應用，為工業和汽車應用設計工程師提供了更簡單、更可靠和優化的電路設計。為了實現特定應用的最佳性能，設計工程師需要在選擇P溝道功率MOSFET時在RDS(on)和Qg之間做出權衡。

參考：Littelfuse提供的P溝道MOSFETs（https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors/discrete-MOSFETs/p-channel.aspx）和柵極驅動器（https://www.littelfuse.com/products/integrated-circuits/gate-driver-ics.aspx）。

（文章來源：Littelfuse，作者：Littelfuse Sachin Shridhar Paradkar、Raymon Zhou、José Padilla）