P沟道功率MOSFETs及其应用

作者：Littelfuse Sachin Shridhar Paradkar、Raymon Zhou、José Padilla

Littelfuse P沟道功率MOSFETs，虽不及广泛使用的N沟道MOSFETs出名，在传统的应用范围也较有限，然而，随着低压（LV）应用需求的增加， P沟道功率MOSFET的应用范围得到拓展。高端侧（HS）应用P沟道的简易性使其对低压变换器（<120V）和非隔离的负载点更具吸引力。

因为无需电荷泵或额外的电压源，高端侧（HS）P沟道MOSFET易于驱动，具有设计简单、节省空间，零件数量少等特点，提升了成本效率。本文通过对N沟道和P沟道MOSFETs进行比较，介绍Littelfuse P沟道功率MOSFETs，探究其目标应用。

N沟道和P沟道功率MOSFET的比较分析 

MOSFET截面图（如图1）表明N沟道和P沟道功率MOSFETs之间的差异。N沟道MOSFET需要栅极和源极（Vgs）间施加正电压才能导通，而P沟道MOSFET则需要负Vgs电压。两者的主要区别在于反向掺杂物质：P沟道MOSFETs依赖空穴为主要电荷载流子而产生空穴电流，而N沟道器件利用电子产生电子流。由于N沟道的电子迁移率大约是空穴的2~3倍，因此，在P沟道器件中移动空穴比在N沟道器件中移动电子，更具挑战性。这也是P沟道MOSFET具有更高通态电阻的原因。因此，对于和N沟道相同芯片尺寸的P沟道MOSFETs而言，实现相同的通态电阻（RDS(on)），是不太现实。

图1：N沟道和P沟道功率MOSFETs横截面及其符号标示

为实现与N沟道MOSFET相同的通态电阻RDS(on)，P沟道则需要2~3倍的晶圆尺寸，因此，在低导通损耗至关重要的大电流应用场景中，具有较低RDS(on)的大晶圆面积P沟道MOSFET并非理想选择。另外，虽然具有较大芯片尺寸P沟道器件提供了更好的热性能，但表现出更大的固有电容，从而导致更高的开关损耗。当系统工作在高开关频率时，这一缺点显著影响了器件的开关损耗。

在更关注导通损耗的低频应用中，若P沟道MOSFET与N沟道MOSFET的RDS(on)相匹配，则需要更大的芯片面积。相反，在高频应用中优先考虑开关损耗，P沟道MOSFET应该与N沟道对应的总栅极电荷一致，通常具有相似的芯片大小但额定电流较低。因此，选择合适的P沟道MOSFET需要仔细考虑器件的RDS(on)、栅极电荷（Qg）规格及热性能。

P沟道功率MOSFETs 

Littelfuse经过验证的多系列工业级P沟道功率MOSFETs，具有多种优异特性：业界最高的P MOSFETs电压等级、最低的RDS(on)和Qg、高雪崩能量额定值、卓越的开关性能和优越的安全工作区域（SOA），在标准工业和独特隔离封装方面具有业界一流的性能。Littelfuse P沟道MOSFETs保留了类似N沟道MOSFETs的基本特性：高速开关、有效的栅极电压控制和良好的温度稳定性。

图2：Littelfuse提供的P沟道功率MOSFET产品组合

图2示出了Littelfuse P沟道功率MOSFET的关键指标。StandardP和PolarP™平面器件的额定电压值为-100V~-600V，额定电流为-2A~-170A。Polar P™提供了优化的单元结构，具有低通态电阻和改进的开关性能，而StandardP受益于更好的SOA性能。TrenchP采用了更紧密的沟槽栅极单元结构，提供极低的RDS(on)、低栅极电荷、快速体二极管和更快的开关频率，额定电压范围为-50V~-200V，额定电流为-10A~-210A。最新发布的IXTY2P50P0PA（-500V，-2A，4.2Ω）产品，是适用于汽车应用的首款车规级P沟道功率MOSFET。

P沟道功率MOSFETs应用 

Littelfuse P沟道功率MOSFETs在工业和汽车驱动中有着广泛的应用，如电池、反极性保护、HS负载开关、DC-DC转换器、车载充电器和低压逆变器。

P沟道功率MOSFETs半桥应用 

典型半桥（HB）应用中，N沟道MOSFETs通常应用于功率级电路。然而，N沟道HS开关需要自举电路产生栅极电压，参考于HS MOSFET源极电压的浮动电压或导通HS MOSFET的隔离电源，如图3a)所示。因此，在半桥高端使用N沟道器件是以增加栅极驱动设计的复杂性为代价。图3对比了使用互补MOSFETs和N沟道MOSFETs的电路。当P沟道MOSFET作为HS开关管（图3b)），极大简化了驱动器设计。这种结构去除了驱动HS开关管的电荷泵，且P沟道MOSFET可以轻松地通过简单的电平转移器被单片机控制。该电路不仅降低了设计难度，减少了器件数量，同时实现成本和空间的最优化利用。

图3：HB应用中简化了HS驱动，HS开关管由 a) N沟道MOSFET改变至 b) P沟道MOSFET

正负极反接保护 

正负极反接保护作为系统的一种安全措施，防止电源反向连接造成潜在的火灾危险及损坏。图4a)为使用P沟道MOSFET实现的反接保护。电池正确连接时，体二极管工作直至MOSFET导通；当电池反接时，体二极管反向偏置，此时栅极和源极电位相同，P沟道MOSFET关断。P沟道MOSFET栅极电压受制于齐纳二极管钳位，当电压过高时进行保护。

图4：a) 反接保护和 b) 使用P沟道MOSFET作为负载开关

负载开关 

负载开关将电压轨与特定负载接通或关断，为系统管理电源提供一种经济而简单的方法。图4b)为使用P沟道功率MOSFET作为负载开关的电路。该电路通过逻辑使能（EN）信号驱动Q1（NMOSFET）来控制PMOSFET。当EN为低时，Q1关闭，P MOSFET栅极被拉至VBAT。相反，当EN为高时，Q1导通，P MOSFET栅极接地，负载开关导通。如果VBAT高于PMOSFET的阈值电压，则EN为高时导通，消除了对NMOSFET所必需的额外电压源来偏置栅极的需要。同时串联电阻以限制电路中的电流，并联齐纳二极管来钳位栅极电压。

DC-DC转换器 

低功率DC-DC转换器中，图5a)所示的同步降压转换器使用PMOSFET器件作为HS开关管，该设计简化了电路，节省了空间，取消了外部栅极驱动电路，同时减少了材料清单（BOM），提高了效率。相同地，在同步升压转换器中，P沟道MOSFET器件可以作为输出同步整流器取代二极管，如图5b)所示。受益于P沟道MOSFET改进的FoM（FoM = RDS(on)* Qg），转换器效率得到了提高。

图5：使用互补MOSFETs的低功率 a) 同步降压转换器和 b) 同步升压转换器

结束语 

随着现代低压应用的发展，Littelfuse P沟道功率MOSFET满足了当今电力电子不断发展所需的通用功能。Littelfuse P沟道MOSFETs的广泛应用，为工业和汽车应用设计工程师提供了更简单、更可靠和优化的电路设计。为了实现特定应用的最佳性能，设计工程师需要在选择P沟道功率MOSFET时在RDS(on)和Qg之间做出权衡。

参考：Littelfuse提供的P沟道MOSFETs（https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors/discrete-MOSFETs/p-channel.aspx）和栅极驱动器（https://www.littelfuse.com/products/integrated-circuits/gate-driver-ics.aspx）。