比较 N 沟道 MOSFET 和 P 沟道 MOSFET：哪种最适合您的应用？

时间：2024-09-09 10:52:55

关键字： p 沟道 MOSFET N沟道

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[导读]它们的反向掺杂分布是主要区别：p 通道 MOSFET 依靠空穴作为多数电荷载流子，产生空穴电流，而 n 通道器件利用电子，产生电子电流。由于电子的迁移率较高，约为空穴的两到三倍，因此在 p 通道器件中移动空穴比在 n 通道器件中移动电子更具挑战性。

无需额外电压源或电荷泵即可驱动高端 (HS) p 通道 MOSFET，这十分简单，从而可显著简化设计、节省空间、减少零件数量并提高成本效率。

n 沟道功率 MOSFET 需要正栅极源电压才能激活，而 p 沟道 MOSFET 则需要负栅极源电压。图 1 使用横截面视图说明了 n 沟道和 p 沟道 MOSFET 之间的差异。

它们的反向掺杂分布是主要区别：p 通道 MOSFET 依靠空穴作为多数电荷载流子，产生空穴电流，而 n 通道器件利用电子，产生电子电流。由于电子的迁移率较高，约为空穴的两到三倍，因此在 p 通道器件中移动空穴比在 n 通道器件中移动电子更具挑战性。

这种方法会导致 p 沟道 MOSFET 的面积特定导通电阻高于 n 沟道 MOSFET。因此，对于芯片尺寸与 n 沟道 MOSFET 相同的 p 沟道 MOSFET 而言，实现等效导通电阻 (R DS(on) ) 性能是不切实际的。

图 1：n 沟道和 p 沟道功率 MOSFET 的横截面比较

为了实现与 n 沟道 MOSFET 类似的导通电阻 R DS(on) ，p 沟道 MOSFET 需要两到三倍大的芯片尺寸。因此，在电流更大的应用中，低传导损耗至关重要，具有非常低 R DS(on)的大芯片 p 沟道 MOSFET 不是最佳选择。

虽然 p 沟道器件的芯片尺寸较大，可以提高热性能，但其开关损耗较大，固有电容较大。当系统以高开关频率运行时，这一缺点会严重影响整体效率、热管理和系统成本。

在传导损耗较大的低频应用中，p 沟道 MOSFET 应与 n 沟道 MOSFET 的 R DS(on)相匹配，因此需要更大的芯片面积。相反，在优先考虑开关损耗的高频应用中，p 沟道 MOSFET 应与 n 沟道 MOSFET 的总栅极电荷一致，通常具有相似的芯片尺寸，但额定电流较低。

因此，选择正确的 p 沟道 MOSFET 需要仔细考虑器件 RDS (on) 和栅极电荷 (Qg )规格以及热性能。

Littelfuse 的 P 通道功率 MOSFET

传统上，P 通道功率 MOSFET 的应用范围有限。然而，最近低压 (LV) 应用需求的增加为 P 通道功率 MOSFET 创造了更广阔的应用范围。

Littelfuse提供一系列符合工业要求的 p 通道功率 MOSFET，它们具有最高的电压等级额定值、最低的 R DS(on) 和 Q g 、高雪崩能量额定值、出色的开关性能和卓越的安全工作区 (SOA)，在标准工业和独特的隔离封装中均具有一流的性能。

Littelfuse p 通道功率 MOSFET 保留了同类 n 通道功率 MOSFET 的基本特性，例如快速开关、高效栅极电压控制和出色的温度稳定性。Littelfuse p 通道解决方案适用于 HS 应用，其简单性使其对非隔离负载点和 LV 逆变器 (< 120 V) 解决方案具有吸引力。

图 2：P 通道功率 MOSFET 产品组合(来源：Littelfuse)

图 2 展示了 Littelfuse 提供的 p 通道功率 MOSFET 的主要亮点：

· 标准 P 和 PolarP™ 平面器件的额定电压为 -100 至 -600 V，额定电流为 -2 至 -170 A。

· PolarP™ 提供优化的单元结构，具有低区域特定导通电阻和改进的开关性能。

· 标准 P 提供了更好的 SOA 性能。

· 沟槽 P 采用更密集的沟槽栅极单元结构，具有非常低的 R DS(on)、低栅极电荷、快速体二极管和更快的开关速度，器件电压范围为 -50 V 至 -200 V，电流范围为 -10 A 至 -210 A。

· IXTY2P50PA(-500 V、-2 A、4.2 Ω)是该产品组合的最新成员，也是 Littelfuse 首款 AEC-Q101 汽车级 p 通道功率 MOSFET。

Littelfuse p 通道 MOSFET 可驱动各种汽车和工业应用，例如：

· 电池保护，

· 反极性保护，

· HS 负载开关，

· DC-DC 转换器，

· 车载充电器，以及

· 低压逆变器。

半桥应用中的 P 沟道 MOSFET

图 3 显示了使用互补 MOSFET 的电路与使用 n 通道 MOSFET 的电路之间的对比。N 通道 MOSFET 通常用于半桥 (HB) 应用中的功率级。然而，n 通道 HS 开关需要自举电路来生成与 HS MOSFET 源极相关的浮动栅极电压或隔离电源才能开启，如图 3a 所示。

因此，使用 n 通道器件的优势是以增加栅极驱动器设计的复杂性为代价的，从而导致更多的设计工作量和空间占用。当 p 通道 MOSFET 用作此配置中的 HS 开关时(如图 3b 所示)，它可以显著简化驱动器设计。设计人员可以移除电荷泵来驱动 HS 开关，而 MCU 可以通过简单的电平转换器轻松控制 p 通道 MOSFET。这种方法减少了设计工作量和零件数量，从而实现了高效利用空间的经济高效的设计。

图 3：HB 应用中 HS 驱动器的简化，从 a) n 通道 MOSFET 到 b) p 通道 MOSFET 作为 HS 开关

反极性保护

反极性保护是一种系统安全措施，用于防止电源连接反接时发生潜在的火灾危险和损坏。图 4a 描述了使用 p 通道功率 MOSFET 实现的反极性保护。当电池正确连接时，本征体二极管会导通，直到 MOSFET 通道被激活。如果电池反向连接，体二极管会反向偏置，栅极和源极处于相同电位，从而关闭 p 通道 MOSFET。齐纳二极管会钳位 p 通道 MOSFET 的栅极电压，在电压水平过高时保护它。

图 4：使用 p 沟道功率 MOSFET 实现 a) 反极性保护和 b) 负载开关

负载开关

负载开关将电压轨与特定负载连接或断开，为系统高效管理电源提供了一种经济高效且直接的方法。图 4b 显示了使用 p 沟道功率 MOSFET 作为负载开关的电路。该电路由逻辑使能 (EN) 信号驱动，通过小信号 n 沟道 MOSFET Q 1控制 p 沟道负载开关。当 EN 为低时，Q 1 关闭，p 沟道栅极被上拉至 V BAT。

相反，当 EN 为高电平时，Q 1 激活，将 p 沟道栅极接地，并打开负载开关。如果 V BAT 超过 p 沟道 MOSFET 的阈值电压，则它可以在 EN 为高电平时打开，从而无需额外的电压源来偏置栅极，而这对于 n 沟道 MOSFET 来说是必需的。需要串联电阻来限制电流，并且需要齐纳二极管来将栅极电压钳位到最大值。

DC-DC 同步降压和升压转换器

在低功耗 DC-DC 转换器(例如图 5a 中的同步降压转换器)中，使用 p 通道器件作为 HS 开关可简化电路并节省空间，无需外部栅极驱动电路。它还可减少物料清单 (BOM)，从而提高成本效率。

类似地，P 沟道器件可以替代正向电压较低的二极管作为同步升压转换器中的输出同步整流器，如图 5b 所示。这种方法提高了转换器效率，因为p 沟道 MOSFET 的品质因数 (FoM = R DS(on) * Q g ) 得到了改善。