P通道功率MOSFET及其應(yīng)用

Littelfuse P通道功率MOSFET雖不及廣泛使用的N通道MOSFET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通道功率MOSFET的應(yīng)用范圍得到拓展。高端側(cè)（HS）應(yīng)用P通道的簡(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信道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)，提升成本效率。本文通過(guò)對(duì)N信道和P信道MOSFETs進(jìn)行比較，介紹Littelfuse P通道功率MOSFET，探究其目標(biāo)應(yīng)用。

N信道和P信道功率MOSFET比較分析
MOSFET截面圖（如圖一）顯示N信道和P信道功率MOSFET之間的差異。N通道MOSFET需要柵極和源極（Vgs）間施加正電壓才能導(dǎo)通，而P通道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通道MOSFET依賴電洞為主要電荷載流子而產(chǎn)生電洞電流，而N信道器件利用電子產(chǎn)生電子流。
由于N信道的電子遷移率大約是電洞的2 ~ 3倍，所以在P通道器件中移動(dòng)電洞比在N信道器件中移動(dòng)電子，更具挑戰(zhàn)性。這也是P通道MOSFET具有更高通態(tài)電阻的原因。因此，對(duì)于和N信道相同芯片尺寸的P信道MOSFET而言，實(shí)現(xiàn)相同的通態(tài)電阻（RDS(on)），是不太現(xiàn)實(shí)。


 
圖一 : N信道和P信道功率MOSFET橫截面及其符號(hào)標(biāo)示

為了達(dá)到與N通道MOSFET相同的通態(tài)電阻RDS(on)，P通道則需要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RDS(on)的大晶圓面積P通道MOSFET并非理想選擇。
另外，雖然具有較大芯片尺寸P信道器件提供更好的熱性能，但表現(xiàn)出更大的固有電容，從而導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗。當(dāng)系統(tǒng)工作在高開關(guān)頻率時(shí)，這一缺點(diǎn)顯著影響了器件的開關(guān)損耗。
在較關(guān)注導(dǎo)通損耗的低頻應(yīng)用中，若P信道MOSFET與N信道MOSFET的RDS(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)先考慮開關(guān)損耗，P信道MOSFET應(yīng)該與N信道對(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信道MOSFET需要仔細(xì)考慮組件的RDS(on)、柵極電荷（Qg）規(guī)格及熱性能。

P通道功率MOSFET
Littelfuse經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的多系列工業(yè)級(jí)P信道功率MOSFET，具有多種優(yōu)異特性：業(yè)界最高的P MOSFET電壓等級(jí)、最低的RDS(on)和Qg、高雪崩能量額定值、卓越的開關(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先進(jìn)的性能。Littelfuse P信道MOSFET保留了類似N信道MOSFET的基本特性：高速開關(guān)、有效的柵極電壓控制和良好的溫度穩(wěn)定性。

 
圖二 : Littelfuse提供的P信道功率MOSFET產(chǎn)品組合

圖二展示出Littelfuse P通道功率MOSFET的關(guān)鍵指針。StandardP和PolarP平面器件的額定電壓值為-100 V ~ -600 V，額定電流為-2A~-170A。Polar P提供優(yōu)化的單元結(jié)構(gòu)，具有低通態(tài)電阻和改進(jìn)的開關(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RDS(on)、低柵極電荷、快速體二極管和更快的開關(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，為適用于汽車應(yīng)用的首款車規(guī)級(jí)P通道功率MOSFET。

P通道功率MOSFET應(yīng)用
Littelfuse P信道功率MOSFET在工業(yè)和汽車驅(qū)動(dòng)中有著廣泛的應(yīng)用，如電池、反極性保護(hù)、HS負(fù)載開關(guān)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器和低壓逆變器。
而在典型半橋（HB）應(yīng)用中，N通道MOSFET通常應(yīng)用于功率級(jí)電路。然而，N信道HS開關(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，如圖三a所示。因此，在半橋高端使用N信道組件是以增加?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性為代價(jià)。
圖三對(duì)比了使用互補(bǔ)MOSFET和N信道MOSFET的電路。當(dāng)P通道MOSFET作為HS開關(guān)管（圖三b），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開關(guān)管的電荷泵，并且P通道MOSFET可以輕松地通過(guò)簡(jiǎn)單的電平轉(zhuǎn)移器被單芯片控制。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)成本和空間的優(yōu)化利用。

 
圖三 : HB應(yīng)用中簡(jiǎn)化了HS驅(qū)動(dòng)，HS開關(guān)管由a) N通道MOSFET改變至b) P通道MOSFET

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。圖四a)為使用P通道MOSFET實(shí)現(xiàn)的反接保護(hù)。當(dāng)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通道MOSFET關(guān)斷。P信道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)。

 
圖四 : a）反接保護(hù)和b）使用P信道MOSFET作為負(fù)載開關(guān)

負(fù)載開關(guān)
負(fù)載開關(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。圖四b)為使用P信道功率MOSFET作為負(fù)載開關(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VBAT。相反的，當(dāng)EN為高時(shí)，Q1導(dǎo)通，P MOSFET柵極接地，負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通。如果VBAT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。

DC-DC轉(zhuǎn)換器
低功率DC-DC轉(zhuǎn)換器中，圖五a所示的同步降壓轉(zhuǎn)換器使用PMOSFET器件作為HS開關(guān)管，該設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化電路，并節(jié)省空間，取消了外部柵極驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)減少材料列表（BOM），提高了效率。
相同地，在同步升壓轉(zhuǎn)換器中，P通道MOSFET器件可以作為輸出同步整流器取代二極管，如圖五b所示。受益于P通道MOSFET改進(jìn)的FoM（FoM = RDS(on)* Qg），轉(zhuǎn)換器效率得到了提高。


圖五 : 使用互補(bǔ)MOSFET的低功率：a)同步降壓轉(zhuǎn)換器和b)同步升壓轉(zhuǎn)換器

結(jié)語(yǔ)
隨著現(xiàn)代低壓應(yīng)用的發(fā)展，Littelfuse P通道功率MOSFET滿足當(dāng)今電力電子不斷發(fā)展所需的通用功能。Littelfuse P通道MOSFET的廣泛應(yīng)用，為工業(yè)和汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)工程師提供更簡(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)用的優(yōu)化性能，設(shè)計(jì)工程師需要在選擇P信道功率MOSFET時(shí)在RDS(on)和Qg之間做出權(quán)衡。
（本文作者Sachin Shridhar Paradkar、Raymon Zhou、Jose Padilla任職于Littelfuse公司）