P通道功率MOSFET及其应用

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信道MOSFET易于驱动，具有设计简单、节省空间，零件数量少等特点，提升成本效率。本文通过对N信道和P信道MOSFETs进行比较，介绍Littelfuse P通道功率MOSFET，探究其目标应用。

N信道和P信道功率MOSFET比较分析
MOSFET截面图（如图一）显示N信道和P信道功率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。两者的主要区别在于反向掺杂物质：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信道器件利用电子产生电子流。
由于N信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信道器件中移动电子，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，对于和N信道相同芯片尺寸的P信道MOSFET而言，实现相同的通态电阻（RDS(on)），是不太现实。


 
图一 : N信道和P信道功率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，虽然具有较大芯片尺寸P信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信道MOSFET与N信道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信道MOSFET应该与N信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信道MOSFET需要仔细考虑组件的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信道功率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信道MOSFET保留了类似N信道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信道功率MOSFET产品组合

图二展示出Littelfuse P通道功率MOSFET的关键指针。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，为适用于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信道功率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通常应用于功率级电路。然而，N信道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，如图三a所示。因此，在半桥高端使用N信道组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信道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芯片控制。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优化利用。

 
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

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通道MOSFET关断。P信道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。

 
图四 : a）反接保护和b）使用P信道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信道功率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，同时减少材料列表（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管，如图五b所示。受益于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

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优化性能，设计工程师需要在选择P信道功率MOSFET时在RDS(on)和Qg之间做出权衡。
（本文作者Sachin Shridhar Paradkar、Raymon Zhou、Jose Padilla任职于Littelfuse公司）