比較 N 溝道 MOSFET 和 P 溝道 MOSFET：哪種最適合您的應(yīng)用？

無需額外電壓源或電荷泵即可驅(qū)動高端 (HS) p 通道 MOSFET，這十分簡單，從而可顯著簡化設(shè)計、節(jié)省空間、減少零件數(shù)量并提高成本效率。

n 溝道功率 MOSFET 需要正柵極源電壓才能激活，而 p 溝道 MOSFET 則需要負(fù)柵極源電壓。 圖 1 使用橫截面視圖說明了 n 溝道和 p 溝道 MOSFET 之間的差異。

它們的反向摻雜分布是主要區(qū)別：p 通道 MOSFET 依靠空穴作為多數(shù)電荷載流子，產(chǎn)生空穴電流，而 n 通道器件利用電子，產(chǎn)生電子電流。由于電子的遷移率較高，約為空穴的兩到三倍，因此在 p 通道器件中移動空穴比在 n 通道器件中移動電子更具挑戰(zhàn)性。

這種方法會導(dǎo)致 p 溝道 MOSFET 的面積特定導(dǎo)通電阻高于 n 溝道 MOSFET。因此，對于芯片尺寸與 n 溝道 MOSFET 相同的 p 溝道 MOSFET 而言，實現(xiàn)等效導(dǎo)通電阻 (R DS(on) ) 性能是不切實際的。

圖 1：n 溝道和 p 溝道功率 MOSFET 的橫截面比較

為了實現(xiàn)與 n 溝道 MOSFET 類似的導(dǎo)通電阻 R DS(on) ，p 溝道 MOSFET 需要兩到三倍大的芯片尺寸。因此，在電流更大的應(yīng)用中，低傳導(dǎo)損耗至關(guān)重要，具有非常低 R DS(on)的大芯片 p 溝道 MOSFET 不是最佳選擇。

雖然 p 溝道器件的芯片尺寸較大，可以提高熱性能，但其開關(guān)損耗較大，固有電容較大。當(dāng)系統(tǒng)以高開關(guān)頻率運行時，這一缺點會嚴(yán)重影響整體效率、熱管理和系統(tǒng)成本。

在傳導(dǎo)損耗較大的低頻應(yīng)用中，p 溝道 MOSFET 應(yīng)與 n 溝道 MOSFET 的 R DS(on)相匹配 ，因此需要更大的芯片面積。相反，在優(yōu)先考慮開關(guān)損耗的高頻應(yīng)用中，p 溝道 MOSFET 應(yīng)與 n 溝道 MOSFET 的總柵極電荷一致，通常具有相似的芯片尺寸，但額定電流較低。

因此，選擇正確的 p 溝道 MOSFET 需要仔細(xì)考慮器件 RDS (on) 和柵極電荷 (Qg )規(guī)格以及熱性能。

Littelfuse 的 P 通道功率 MOSFET

傳統(tǒng)上，P 通道功率 MOSFET 的應(yīng)用范圍有限。然而，最近低壓 (LV) 應(yīng)用需求的增加為 P 通道功率 MOSFET 創(chuàng)造了更廣闊的應(yīng)用范圍。

Littelfuse提供一系列符合工業(yè)要求的 p 通道功率 MOSFET，它們具有最高的電壓等級額定值、最低的 R DS(on) 和 Q g 、高雪崩能量額定值、出色的開關(guān)性能和卓越的安全工作區(qū) (SOA)，在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)和獨特的隔離封裝中均具有一流的性能。

Littelfuse p 通道功率 MOSFET 保留了同類 n 通道功率 MOSFET 的基本特性，例如快速開關(guān)、高效柵極電壓控制和出色的溫度穩(wěn)定性。Littelfuse p 通道解決方案適用于 HS 應(yīng)用，其簡單性使其對非隔離負(fù)載點和 LV 逆變器 (< 120 V) 解決方案具有吸引力。

圖 2：P 通道功率 MOSFET 產(chǎn)品組合(來源：Littelfuse)

圖 2 展示了 Littelfuse 提供的 p 通道功率 MOSFET 的主要亮點：

· 標(biāo)準(zhǔn) P 和 PolarP? 平面器件的額定電壓為 -100 至 -600 V，額定電流為 -2 至 -170 A。

· PolarP? 提供優(yōu)化的單元結(jié)構(gòu)，具有低區(qū)域特定導(dǎo)通電阻和改進(jìn)的開關(guān)性能。

· 標(biāo)準(zhǔn) P 提供了更好的 SOA 性能。

· 溝槽 P 采用更密集的溝槽柵極單元結(jié)構(gòu)，具有非常低的 R DS(on)、低柵極電荷、快速體二極管和更快的開關(guān)速度，器件電壓范圍為 -50 V 至 -200 V，電流范圍為 -10 A 至 -210 A。

· IXTY2P50PA(-500 V、-2 A、4.2 Ω)是該產(chǎn)品組合的最新成員，也是 Littelfuse 首款 AEC-Q101 汽車級 p 通道功率 MOSFET。

Littelfuse p 通道 MOSFET 可驅(qū)動各種汽車和工業(yè)應(yīng)用，例如：

· 電池保護(hù)，

· 反極性保護(hù)，

· HS 負(fù)載開關(guān)，

· DC-DC 轉(zhuǎn)換器，

· 車載充電器，以及

· 低壓逆變器。

半橋應(yīng)用中的 P 溝道 MOSFET

圖 3 顯示了使用互補 MOSFET 的電路與使用 n 通道 MOSFET 的電路之間的對比。N 通道 MOSFET 通常用于半橋 (HB) 應(yīng)用中的功率級。然而，n 通道 HS 開關(guān)需要自舉電路來生成與 HS MOSFET 源極相關(guān)的浮動?xùn)艠O電壓或隔離電源才能開啟，如圖 3a 所示。

因此，使用 n 通道器件的優(yōu)勢是以增加?xùn)艠O驅(qū)動器設(shè)計的復(fù)雜性為代價的，從而導(dǎo)致更多的設(shè)計工作量和空間占用。當(dāng) p 通道 MOSFET 用作此配置中的 HS 開關(guān)時(如圖 3b 所示)，它可以顯著簡化驅(qū)動器設(shè)計。設(shè)計人員可以移除電荷泵來驅(qū)動 HS 開關(guān)，而 MCU 可以通過簡單的電平轉(zhuǎn)換器輕松控制 p 通道 MOSFET。這種方法減少了設(shè)計工作量和零件數(shù)量，從而實現(xiàn)了高效利用空間的經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計。

圖 3：HB 應(yīng)用中 HS 驅(qū)動器的簡化，從 a) n 通道 MOSFET 到 b) p 通道 MOSFET 作為 HS 開關(guān)

反極性保護(hù)

反極性保護(hù)是一種系統(tǒng)安全措施，用于防止電源連接反接時發(fā)生潛在的火災(zāi)危險和損壞。圖 4a 描述了使用 p 通道功率 MOSFET 實現(xiàn)的反極性保護(hù)。當(dāng)電池正確連接時，本征體二極管會導(dǎo)通，直到 MOSFET 通道被激活。如果電池反向連接，體二極管會反向偏置，柵極和源極處于相同電位，從而關(guān)閉 p 通道 MOSFET。齊納二極管會鉗位 p 通道 MOSFET 的柵極電壓，在電壓水平過高時保護(hù)它。

圖 4：使用 p 溝道功率 MOSFET 實現(xiàn) a) 反極性保護(hù)和 b) 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)載連接或斷開，為系統(tǒng)高效管理電源提供了一種經(jīng)濟(jì)高效且直接的方法。 圖 4b 顯示了使用 p 溝道功率 MOSFET 作為負(fù)載開關(guān)的電路。該電路由邏輯使能 (EN) 信號驅(qū)動，通過小信號 n 溝道 MOSFET Q 1控制 p 溝道負(fù)載開關(guān)。當(dāng) EN 為低時，Q 1 關(guān)閉，p 溝道柵極被上拉至 V BAT。

相反，當(dāng) EN 為高電平時，Q 1 激活，將 p 溝道柵極接地，并打開負(fù)載開關(guān)。如果 V BAT 超過 p 溝道 MOSFET 的閾值電壓，則它可以在 EN 為高電平時打開，從而無需額外的電壓源來偏置柵極，而這對于 n 溝道 MOSFET 來說是必需的。需要串聯(lián)電阻來限制電流，并且需要齊納二極管來將柵極電壓鉗位到最大值。

DC-DC 同步降壓和升壓轉(zhuǎn)換器

在低功耗 DC-DC 轉(zhuǎn)換器(例如圖 5a 中的同步降壓轉(zhuǎn)換器)中，使用 p 通道器件作為 HS 開關(guān)可簡化電路并節(jié)省空間，無需外部柵極驅(qū)動電路。它還可減少物料清單 (BOM)，從而提高成本效率。

類似地，P 溝道器件可以替代正向電壓較低的二極管作為同步升壓轉(zhuǎn)換器中的輸出同步整流器，如圖 5b 所示。這種方法提高了轉(zhuǎn)換器效率，因為p 溝道 MOSFET 的 品質(zhì)因數(shù) (FoM = R DS(on) * Q g ) 得到了改善。

圖 5：使用互補 MOSFET 實現(xiàn)低功耗 a) 同步降壓和 b) 同步升壓轉(zhuǎn)換器

低壓應(yīng)用中的 P 溝道 MOSFET

隨著當(dāng)今低壓 (LV) 應(yīng)用的發(fā)展，Littelfuse p 通道 MOSFET 繼續(xù)證明其多功能性，可滿足未來電力電子不斷發(fā)展的需求。采用 p 通道 MOSFET 可讓設(shè)計人員在先進(jìn)的汽車和工業(yè)應(yīng)用中提供簡化、高度可靠且優(yōu)化的電路設(shè)計。

電子設(shè)計工程師在選擇 p 溝道 MOSFET 時必須評估 R DS(on) 和 Q g之間的權(quán)衡，以實現(xiàn)特定應(yīng)用的最佳性能。