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P通道功率MOSFET及其应用
 

【作者: Littelfuse】2024年04月17日 星期三

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Littelfuse P通道功率MOSFET虽不及广泛使用的N通道MOSFET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通道功率MOSFET的应用范围得到拓展。高端侧(HS)应用P通道的简易性,使其对低压变换器(< 120 V)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通道MOSFET易於驱动,具有设计简单、节省空间,零件数量少等特点,提升成本效率。本文通过对N通道和P通道MOSFETs进行比较,介绍Littelfuse P通道功率MOSFET,探究其目标应用。


N通道和P通道功率MOSFET比较分析

MOSFET截面图(如图一)显示N通道和P通道功率MOSFET之间的差异。N通道MOSFET需要栅极和源极(Vgs)间施加正电压才能导通,而P通道MOSFET则需要负Vgs电压。两者的主要区别在於反向掺杂物质:P通道MOSFET依赖电洞为主要电荷载流子而产生电洞电流,而N通道器件利用电子产生电子流。


由於N通道的电子迁移率大约是电洞的2 ~ 3倍,所以在P通道器件中移动电洞比在N通道器件中移动电子,更具挑战性。这也是P通道MOSFET具有更高通态电阻的原因。因此,对於和N通道相同晶片尺寸的P通道MOSFET而言,实现相同的通态电阻(RDS(on)),是不太现实。



图一 : N通道和P通道功率MOSFET横截面及其符号标示
图一 : N通道和P通道功率MOSFET横截面及其符号标示

为了达到与N通道MOSFET相同的通态电阻RDS(on),P通道则需要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通道MOSFET并非理想选择。


另外,虽然具有较大晶片尺寸P通道器件提供更好的热性能,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,这一缺点显着影响了器件的开关损耗。


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


P通道功率MOSFET

Littelfuse经过验证的多系列工业级P通道功率MOSFET,具有多种优异特性:业界最高的P MOSFET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先进的性能。Littelfuse P通道MOSFET保留了类似N通道MOSFET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。



图二 : Littelfuse提供的P通道功率MOSFET产品组合
图二 : Littelfuse提供的P通道功率MOSFET产品组合

图二展示出Littelfuse P通道功率MOSFET的关键指标。StandardP和PolarP平面器件的额定电压值为-100 V ~ -600 V,额定电流为-2A~-170A。Polar P提供最隹化的单元结构,具有低通态电阻和改进的开关性能,而StandardP受益於更好的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、快速体二极体和更快的开关频率,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,为适用於汽车应用的首款车规级P通道功率MOSFET。


P通道功率MOSFET应用

Littelfuse P通道功率MOSFET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。


而在典型半桥(HB)应用中,N通道MOSFET通常应用於功率级电路。然而,N通道HS开关需要自举电路产生栅极电压,叁考於HS MOSFET源极电压的浮动电压或导通HS MOSFET的隔离电源,如图三a所示。因此,在半桥高端使用N通道元件是以增加栅极驱动设计的复杂性为代价。


图三对比了使用互补MOSFET和N通道MOSFET的电路。当P通道MOSFET作为HS开关管(图三b),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,并且P通道MOSFET可以轻松地通过简单的电平转移器被单晶片控制。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隹化利用。



图三 : HB应用中简化了HS驱动,HS开关管由a) N通道MOSFET改变至b) P通道MOSFET
图三 : HB应用中简化了HS驱动,HS开关管由a) N通道MOSFET改变至b) P通道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。图四a)为使用P通道MOSFET实现的反接保护。当电池正确连接时,体二极体工作直至MOSFET导通;当电池反接时,体二极体反向偏置,此时栅极和源极电位相同,P通道MOSFET关断。P通道MOSFET栅极电压受制於齐纳二极体钳位元,当电压过高时进行保护。



图四 :  a)反接保护和b)使用P通道MOSFET作为负载开关
图四 : a)反接保护和b)使用P通道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。图四b)为使用P通道功率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。相反的,当EN为高时,Q1导通,P MOSFET栅极接地,负载开关导通。如果VBAT高於PMOSFET的??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,并联齐纳二极体来钳位元栅极电压。


DC-DC转换器

低功率DC-DC转换器中,图五a所示的同步降压转换器使用PMOSFET器件作为HS开关管,该设计简化电路,并节省空间,取消了外部栅极驱动电路,同时减少材料清单(BOM),提高了效率。


相同地,在同步升压转换器中,P通道MOSFET器件可以作为输出同步整流器取代二极体,如图五b所示。受益於P通道MOSFET改进的FoM(FoM = RDS(on)* Qg),转换器效率得到了提高。



图五 : 使用互补MOSFET的低功率:a)同步降压转换器和b)同步升压转换器
图五 : 使用互补MOSFET的低功率:a)同步降压转换器和b)同步升压转换器

结语

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


(本文作者Sachin Shridhar Paradkar、Raymon Zhou、Jose Padilla任职於Littelfuse公司)


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