P溝道功率MOSFETs及其應(yīng)用領(lǐng)域

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

因?yàn)闊o(wú)需電荷泵或額外的電壓源，高端側(cè)（HS）P溝道MOSFET易于驅(qū)動(dòng)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、節(jié)省空間，零件數(shù)量少等特點(diǎn)，提升了成本效率。本文通過(guò)對(duì)N 溝道和P溝道MOSFETs進(jìn)行比較，介紹Littelfuse P溝道功率MOSFETs，探究其目標(biāo)應(yīng)用。

1 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(dǎo)通，而P 溝道MOSFET則需要負(fù)Vgs電壓。兩者的主要區(qū)別在于反向摻雜物質(zhì)：P溝道MOSFETs依賴空穴為主要電荷載流子而產(chǎn)生空穴電流，而N溝道器件利用電子產(chǎn)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(dòng)空穴比在N溝道器件中移動(dòng)電子，更具挑戰(zhàn)性。這也是P溝道MOSFET具有更高通態(tài)電阻的原因。因此，對(duì)于和N溝道相同芯片尺寸的P溝道MOSFETs而言，實(shí)現(xiàn)相同的通態(tài)電阻（R_DS(on)），是不太現(xiàn)實(shí)。

圖1 N溝道和P溝道功率MOSFETs橫截面及其符號(hào)標(biāo)示

為實(shí)現(xiàn)與N溝道MOSFET相同的通態(tài)電阻R_DS(on)，P溝道則需要2~3倍的晶圓尺寸，因此，在低導(dǎo)通損耗至關(guān)重要的大電流應(yīng)用場(chǎng)景中，具有較低R_DS(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(xiàn)出更大的固有電容，從而導(dǎo)致更高的開(kāi)關(guān)損耗。當(dāng)系統(tǒng)工作在高開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，這一缺點(diǎn)顯著影響了器件的開(kāi)關(guān)損耗。

在更關(guān)注導(dǎo)通損耗的低頻應(yīng)用中， 若P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的R_DS(on)相匹配，則需要更大的芯片面積。相反，在高頻應(yīng)用中優(yōu)先考慮開(kāi)關(guān)損耗，P溝道MOSFET應(yīng)該與N溝道對(duì)應(yīng)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(xì)考慮器件的R_DS(on)、柵極電荷（Qg）規(guī)格及熱性能。

2 P溝道功率MOSFETs

Littelfuse經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的多系列工業(yè)級(jí)P溝道功率MOSFETs， 具有多種優(yōu)異特性： 業(yè)界最高的PMOSFETs電壓等級(jí)、最低的R_DS(on)和Qg、高雪崩能量額定值、卓越的開(kāi)關(guān)性能和優(yōu)越的安全工作區(qū)域（SOA），在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)和獨(dú)特隔離封裝方面具有業(yè)界一流的性能。Littelfuse P溝道MOSFETs保留了類(lèi)似N溝道MOSFETs的基本特性：高速開(kāi)關(guān)、有效的柵極電壓控制和良好的溫度穩(wěn)定性。

圖2 Littelfuse提供的P溝道功率MOSFET產(chǎn)品組合

圖2示出了Littelfuse P溝道功率MOSFET的關(guān)鍵指標(biāo)。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(yōu)化的單元結(jié)構(gòu)，具有低通態(tài)電阻和改進(jìn)的開(kāi)關(guān)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(jié)構(gòu)，提供極低的R_DS(on)、低柵極電荷、快速體二極管和更快的開(kāi)關(guān)頻率，額定電壓范圍為-50V~-200V，額定電流為-10A~-210A。最新發(fā)布的IXTY2P50P0PA（-500V，-2A，4.2Ω）產(chǎn)品，是適用于汽車(chē)應(yīng)用的首款車(chē)規(guī)級(jí)P 溝道功率MOSFET。

3 P溝道功率MOSFETs應(yīng)用

Littelfuse P溝道功率MOSFETs在工業(yè)和汽車(chē)驅(qū)動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用，如電池、反極性保護(hù)、HS負(fù)載開(kāi)關(guān)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車(chē)載充電器和低壓逆變器。

4 P溝道功率MOSFETs半橋應(yīng)用

典型半橋（HB）應(yīng)用中，N溝道MOSFETs通常應(yīng)用于功率級(jí)電路。然而，N溝道HS開(kāi)關(guān)需要自舉電路產(chǎn)生柵極電壓，參考于HS MOSFET源極電壓的浮動(dòng)電壓或?qū)℉S 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?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性為代價(jià)。圖3對(duì)比了使用互補(bǔ)MOSFETs和N溝道MOSFETs的電路。當(dāng)P 溝道MOSFET作為HS開(kāi)關(guān)管（圖3b)），極大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)去除了驅(qū)動(dòng)HS開(kāi)關(guān)管的電荷泵，且P 溝道MOSFET 可以輕松地通過(guò)簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)移器被單片機(jī)控制。該電路不僅降低了設(shè)計(jì)難度，減少了器件數(shù)量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)成本和空間的最優(yōu)化利用。

圖3 HB應(yīng)用中簡(jiǎn)化了HS驅(qū)動(dòng)，HS開(kāi)關(guān)管由 a)N溝道MOSFET改變至 b)P溝道MOSFET

5 正負(fù)極反接保護(hù)

正負(fù)極反接保護(hù)作為系統(tǒng)的一種安全措施，防止電源反向連接造成潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)及損壞。圖4a)為使用P溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)的反接保護(hù)。電池正確連接時(shí)，體二極管工作直至MOSFET導(dǎo)通；當(dāng)電池反接時(shí)，體二極管反向偏置，此時(shí)柵極和源極電位相同，P溝道MOSFET關(guān)斷。P溝道MOSFET柵極電壓受制于齊納二極管鉗位，當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)進(jìn)行保護(hù)。

6 負(fù)載開(kāi)關(guān)

負(fù)載開(kāi)關(guān)將電壓軌與特定負(fù)載接通或關(guān)斷，為系統(tǒng)管理電源提供一種經(jīng)濟(jì)而簡(jiǎn)單的方法。圖4b)為使用P溝道功率MOSFET作為負(fù)載開(kāi)關(guān)的電路。該電路通過(guò)邏輯使能（EN）信號(hào)驅(qū)動(dòng)Q1（NMOSFET）來(lái)控制PMOSFET。當(dāng)EN 為低時(shí)，Q1 關(guān)閉，P MOSFET柵極被拉至V_BAT。相反，當(dāng)EN 為高時(shí)，Q1 導(dǎo)通，PMOSFET柵極接地，負(fù)載開(kāi)關(guān)導(dǎo)通。如果V_BAT高于PMOSFET的閾值電壓，則EN為高時(shí)導(dǎo)通，消除了對(duì)NMOSFET所必需的額外電壓源來(lái)偏置柵極的需要。同時(shí)串聯(lián)電阻以限制電路中的電流，并聯(lián)齊納二極管來(lái)鉗位柵極電壓。

圖4 a）反接保護(hù)和 b）使用P溝道MOSFET作為負(fù)載開(kāi)關(guān)

7 DC-DC轉(zhuǎn)換器

低功率DC-DC轉(zhuǎn)換器中，圖5a)所示的同步降壓轉(zhuǎn)換器使用PMOSFET器件作為HS開(kāi)關(guān)管，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了電路，節(jié)省了空間，取消了外部柵極驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)減少了材料清單（BOM），提高了效率。相同地，在同步升壓轉(zhuǎn)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(jìn)的FoM（FoM = R_DS（on）* Qg），轉(zhuǎn)換器效率得到了提高。

圖5 使用互補(bǔ)MOSFETs的低功率  a）同步降壓轉(zhuǎn)換器 b）同步升壓轉(zhuǎn)換器

8 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代低壓應(yīng)用的發(fā)展，Littelfuse P溝道功率MOSFET滿足了當(dāng)今電力電子不斷發(fā)展所需的通用功能。Littelfuse P溝道MOSFETs的廣泛應(yīng)用，為工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師提供了更簡(jiǎn)單、更可靠和優(yōu)化的電路設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)特定應(yīng)用的最佳性能，設(shè)計(jì)工程師需要在選擇P溝道功率MOSFET時(shí)在R_DS(on)和Qg之間做出權(quán)衡。

參考文獻(xiàn)：

Littelfuse提供的P溝道MOSFETs(https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors/discrete-MOSFETs/p-channel.aspx) 和柵極驅(qū)動(dòng)器（ https://www.littelfuse.com/products/integrated-circuits/gate-driverics.aspx）。