P通道功率MOSFET及其應用

Littelfuse P通道功率MOSFET雖不及廣泛使用的N通道MOSFET出名，在傳統的應用范圍也較有限，然而，隨著低壓（LV）應用需求的增加，P通道功率MOSFET的應用范圍得到拓展。高端側（HS）應用P通道的簡易性，使其對低壓變換器（< 120 V）和非隔離的負載點更具吸引力。
因為無需電荷泵或額外的電壓源，高端側（HS）P信道MOSFET易于驅動，具有設計簡單、節省空間，零件數量少等特點，提升成本效率。本文通過對N信道和P信道MOSFETs進行比較，介紹Littelfuse P通道功率MOSFET，探究其目標應用。

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通，而P通道MOSFET則需要負Vgs電壓。兩者的主要區別在于反向摻雜物質：P通道MOSFET依賴電洞為主要電荷載流子而產生電洞電流，而N信道器件利用電子產生電子流。
由于N信道的電子遷移率大約是電洞的2 ~ 3倍，所以在P通道器件中移動電洞比在N信道器件中移動電子，更具挑戰性。這也是P通道MOSFET具有更高通態電阻的原因。因此，對于和N信道相同芯片尺寸的P信道MOSFET而言，實現相同的通態電阻（RDS(on)），是不太現實。


 
圖一 : N信道和P信道功率MOSFET橫截面及其符號標示

為了達到與N通道MOSFET相同的通態電阻RDS(on)，P通道則需要2 ~ 3倍的晶圓尺寸，因此，在低導通損耗至關重要的大電流應用場景中，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，但表現出更大的固有電容，從而導致更高的開關損耗。當系統工作在高開關頻率時，這一缺點顯著影響了器件的開關損耗。
在較關注導通損耗的低頻應用中，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，在高頻應用中優先考慮開關損耗，P信道MOSFET應該與N信道對應的總柵極電荷一致，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需要仔細考慮組件的RDS(on)、柵極電荷（Qg）規格及熱性能。

P通道功率MOSFET
Littelfuse經過驗證的多系列工業級P信道功率MOSFET，具有多種優異特性：業界最高的P MOSFET電壓等級、最低的RDS(on)和Qg、高雪崩能量額定值、卓越的開關性能和優越的安全工作區域（SOA），在標準工業和獨特隔離封裝方面具有先進的性能。Littelfuse P信道MOSFET保留了類似N信道MOSFET的基本特性：高速開關、有效的柵極電壓控制和良好的溫度穩定性。

 
圖二 : Littelfuse提供的P信道功率MOSFET產品組合

圖二展示出Littelfuse P通道功率MOSFET的關鍵指針。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提供優化的單元結構，具有低通態電阻和改進的開關性能，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構，提供極低的RDS(on)、低柵極電荷、快速體二極管和更快的開關頻率，額定電壓范圍為-50V ~ -200V，額定電流為-10A~-210A。最新發布的IXTY2P50P0PA（-500V，-2A，4.2Ω）產品，為適用于汽車應用的首款車規級P通道功率MOSFET。

P通道功率MOSFET應用
Littelfuse P信道功率MOSFET在工業和汽車驅動中有著廣泛的應用，如電池、反極性保護、HS負載開關、DC-DC轉換器、車載充電器和低壓逆變器。
而在典型半橋（HB）應用中，N通道MOSFET通常應用于功率級電路。然而，N信道HS開關需要自舉電路產生柵極電壓，參考于HS MOSFET源極電壓的浮動電壓或導通HS MOSFET的隔離電源，如圖三a所示。因此，在半橋高端使用N信道組件是以增加柵極驅動設計的復雜性為代價。
圖三對比了使用互補MOSFET和N信道MOSFET的電路。當P通道MOSFET作為HS開關管（圖三b），極大簡化了驅動器設計。這種結構去除了驅動HS開關管的電荷泵，并且P通道MOSFET可以輕松地通過簡單的電平轉移器被單芯片控制。該電路不僅降低了設計難度，減少了器件數量，同時實現成本和空間的優化利用。

 
圖三 : HB應用中簡化了HS驅動，HS開關管由a) N通道MOSFET改變至b) P通道MOSFET

正負極反接保護
正負極反接保護作為系統的一種安全措施，防止電源反向連接造成潛在的火災危險及損壞。圖四a)為使用P通道MOSFET實現的反接保護。當電池正確連接時，體二極管工作直至MOSFET導通；當電池反接時，體二極管反向偏置，此時柵極和源極電位相同，P通道MOSFET關斷。P信道MOSFET柵極電壓受制于齊納二極管鉗位，當電壓過高時進行保護。

 
圖四 : a）反接保護和b）使用P信道MOSFET作為負載開關

負載開關
負載開關將電壓軌與特定負載接通或關斷，為系統管理電源提供一種經濟而簡單的方法。圖四b)為使用P信道功率MOSFET作為負載開關的電路。該電路通過邏輯使能（EN）信號驅動Q1（NMOSFET）來控制PMOSFET。
當EN為低時，Q1關閉，P MOSFET柵極被拉至VBAT。相反的，當EN為高時，Q1導通，P MOSFET柵極接地，負載開關導通。如果VBAT高于PMOSFET的閾值電壓，則EN為高時導通，消除了對NMOSFET所必需的額外電壓源來偏置柵極的需要。同時串聯電阻以限制電路中的電流，并聯齊納二極管來鉗位柵極電壓。

DC-DC轉換器
低功率DC-DC轉換器中，圖五a所示的同步降壓轉換器使用PMOSFET器件作為HS開關管，該設計簡化電路，并節省空間，取消了外部柵極驅動電路，同時減少材料列表（BOM），提高了效率。
相同地，在同步升壓轉換器中，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改進的FoM（FoM = RDS(on)* Qg），轉換器效率得到了提高。


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

結語
隨著現代低壓應用的發展，Littelfuse P通道功率MOSFET滿足當今電力電子不斷發展所需的通用功能。Littelfuse P通道MOSFET的廣泛應用，為工業和汽車應用設計工程師提供更簡單、更可靠和優化的電路設計。為了實現特定應用的優化性能，設計工程師需要在選擇P信道功率MOSFET時在RDS(on)和Qg之間做出權衡。
（本文作者Sachin Shridhar Paradkar、Raymon Zhou、Jose Padilla任職于Littelfuse公司）