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P溝道功率MOSFETs及其應(yīng)用

發(fā)布時間:2024-04-07 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】Littelfuse P溝道功率MOSFETs,雖不及廣泛使用的N溝道MOSFETs出名,在傳統(tǒng)的應(yīng)用范圍也較有限,然而,隨著低壓(LV)應(yīng)用需求的增加, P溝道功率MOSFET的應(yīng)用范圍得到拓展。高端側(cè)(HS)應(yīng)用P溝道的簡易性使其對低壓變換器(<120V)和非隔離的負(fù)載點更具吸引力。


Littelfuse P溝道功率MOSFETs,雖不及廣泛使用的N溝道MOSFETs出名,在傳統(tǒng)的應(yīng)用范圍也較有限,然而,隨著低壓(LV)應(yīng)用需求的增加, P溝道功率MOSFET的應(yīng)用范圍得到拓展。高端側(cè)(HS)應(yīng)用P溝道的簡易性使其對低壓變換器(<120V)和非隔離的負(fù)載點更具吸引力。


因為無需電荷泵或額外的電壓源,高端側(cè)(HS)P溝道MOSFET易于驅(qū)動,具有設(shè)計簡單、節(jié)省空間,零件數(shù)量少等特點,提升了成本效率。本文通過對N溝道和P溝道MOSFETs進行比較,介紹Littelfuse P溝道功率MOSFETs,探究其目標(biāo)應(yīng)用。

N溝道和P溝道功率MOSFET的比較分析 


MOSFET截面圖(如圖1)表明N溝道和P溝道功率MOSFETs之間的差異。N溝道MOSFET需要柵極和源極(Vgs)間施加正電壓才能導(dǎo)通,而P溝道MOSFET則需要負(fù)Vgs電壓。兩者的主要區(qū)別在于反向摻雜物質(zhì):P溝道MOSFETs依賴空穴為主要電荷載流子而產(chǎn)生空穴電流,而N溝道器件利用電子產(chǎn)生電子流。由于N溝道的電子遷移率大約是空穴的2~3倍,因此,在P溝道器件中移動空穴比在N溝道器件中移動電子,更具挑戰(zhàn)性。這也是P溝道MOSFET具有更高通態(tài)電阻的原因。因此,對于和N溝道相同芯片尺寸的P溝道MOSFETs而言,實現(xiàn)相同的通態(tài)電阻(RDS(on)),是不太現(xiàn)實。


P溝道功率MOSFETs及其應(yīng)用

圖1:N溝道和P溝道功率MOSFETs橫截面及其符號標(biāo)示


為實現(xiàn)與N溝道MOSFET相同的通態(tài)電阻RDS(on),P溝道則需要2~3倍的晶圓尺寸,因此,在低導(dǎo)通損耗至關(guān)重要的大電流應(yīng)用場景中,具有較低RDS(on)的大晶圓面積P溝道MOSFET并非理想選擇。另外,雖然具有較大芯片尺寸P溝道器件提供了更好的熱性能,但表現(xiàn)出更大的固有電容,從而導(dǎo)致更高的開關(guān)損耗。當(dāng)系統(tǒng)工作在高開關(guān)頻率時,這一缺點顯著影響了器件的開關(guān)損耗。


在更關(guān)注導(dǎo)通損耗的低頻應(yīng)用中,若P溝道MOSFET與N溝道MOSFET的RDS(on)相匹配,則需要更大的芯片面積。相反,在高頻應(yīng)用中優(yōu)先考慮開關(guān)損耗,P溝道MOSFET應(yīng)該與N溝道對應(yīng)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溝道MOSFET需要仔細(xì)考慮器件的RDS(on)、柵極電荷(Qg)規(guī)格及熱性能。


P溝道功率MOSFETs 


Littelfuse經(jīng)過驗證的多系列工業(yè)級P溝道功率MOSFETs,具有多種優(yōu)異特性:業(yè)界最高的P MOSFETs電壓等級、最低的RDS(on)和Qg、高雪崩能量額定值、卓越的開關(guān)性能和優(yōu)越的安全工作區(qū)域(SOA),在標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)和獨特隔離封裝方面具有業(yè)界一流的性能。Littelfuse P溝道MOSFETs保留了類似N溝道MOSFETs的基本特性:高速開關(guān)、有效的柵極電壓控制和良好的溫度穩(wěn)定性。


P溝道功率MOSFETs及其應(yīng)用

圖2:Littelfuse提供的P溝道功率MOSFET產(chǎn)品組合


圖2示出了Littelfuse P溝道功率MOSFET的關(guān)鍵指標(biāo)。StandardP和PolarP?平面器件的額定電壓值為-100V~-600V,額定電流為-2A~-170A。Polar P?提供了優(yōu)化的單元結(jié)構(gòu),具有低通態(tài)電阻和改進的開關(guān)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(jié)構(gòu),提供極低的RDS(on)、低柵極電荷、快速體二極管和更快的開關(guān)頻率,額定電壓范圍為-50V~-200V,額定電流為-10A~-210A。最新發(fā)布的IXTY2P50P0PA(-500V,-2A,4.2Ω)產(chǎn)品,是適用于汽車應(yīng)用的首款車規(guī)級P溝道功率MOSFET。


P溝道功率MOSFETs應(yīng)用 


Littelfuse P溝道功率MOSFETs在工業(yè)和汽車驅(qū)動中有著廣泛的應(yīng)用,如電池、反極性保護、HS負(fù)載開關(guān)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、車載充電器和低壓逆變器。


P溝道功率MOSFETs半橋應(yīng)用 


典型半橋(HB)應(yīng)用中,N溝道MOSFETs通常應(yīng)用于功率級電路。然而,N溝道HS開關(guān)需要自舉電路產(chǎn)生柵極電壓,參考于HS MOSFET源極電壓的浮動電壓或?qū)℉S MOSFET的隔離電源,如圖3a)所示。因此,在半橋高端使用N溝道器件是以增加?xùn)艠O驅(qū)動設(shè)計的復(fù)雜性為代價。圖3對比了使用互補MOSFETs和N溝道MOSFETs的電路。當(dāng)P溝道MOSFET作為HS開關(guān)管(圖3b)),極大簡化了驅(qū)動器設(shè)計。這種結(jié)構(gòu)去除了驅(qū)動HS開關(guān)管的電荷泵,且P溝道MOSFET可以輕松地通過簡單的電平轉(zhuǎn)移器被單片機控制。該電路不僅降低了設(shè)計難度,減少了器件數(shù)量,同時實現(xiàn)成本和空間的最優(yōu)化利用。


P溝道功率MOSFETs及其應(yīng)用

圖3:HB應(yīng)用中簡化了HS驅(qū)動,HS開關(guān)管由 a) N溝道MOSFET改變至 b) P溝道MOSFET


正負(fù)極反接保護 


正負(fù)極反接保護作為系統(tǒng)的一種安全措施,防止電源反向連接造成潛在的火災(zāi)危險及損壞。圖4a)為使用P溝道MOSFET實現(xiàn)的反接保護。電池正確連接時,體二極管工作直至MOSFET導(dǎo)通;當(dāng)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溝道MOSFET關(guān)斷。P溝道MOSFET柵極電壓受制于齊納二極管鉗位,當(dāng)電壓過高時進行保護。


P溝道功率MOSFETs及其應(yīng)用

圖4:a) 反接保護和 b) 使用P溝道MOSFET作為負(fù)載開關(guān)


負(fù)載開關(guān) 


負(fù)載開關(guān)將電壓軌與特定負(fù)載接通或關(guān)斷,為系統(tǒng)管理電源提供一種經(jīng)濟而簡單的方法。圖4b)為使用P溝道功率MOSFET作為負(fù)載開關(guān)的電路。該電路通過邏輯使能(EN)信號驅(qū)動Q1(NMOSFET)來控制PMOSFET。當(dāng)EN為低時,Q1關(guān)閉,P MOSFET柵極被拉至VBAT。相反,當(dāng)EN為高時,Q1導(dǎo)通,P MOSFET柵極接地,負(fù)載開關(guān)導(dǎo)通。如果VBAT高于PMOSFET的閾值電壓,則EN為高時導(dǎo)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(lián)電阻以限制電路中的電流,并聯(lián)齊納二極管來鉗位柵極電壓。


DC-DC轉(zhuǎn)換器 


低功率DC-DC轉(zhuǎn)換器中,圖5a)所示的同步降壓轉(zhuǎn)換器使用PMOSFET器件作為HS開關(guān)管,該設(shè)計簡化了電路,節(jié)省了空間,取消了外部柵極驅(qū)動電路,同時減少了材料清單(BOM),提高了效率。相同地,在同步升壓轉(zhuǎn)換器中,P溝道MOSFET器件可以作為輸出同步整流器取代二極管,如圖5b)所示。受益于P溝道MOSFET改進的FoM(FoM = RDS(on)* Qg),轉(zhuǎn)換器效率得到了提高。


P溝道功率MOSFETs及其應(yīng)用

圖5:使用互補MOSFETs的低功率 a) 同步降壓轉(zhuǎn)換器和 b) 同步升壓轉(zhuǎn)換器


結(jié)束語 


隨著現(xiàn)代低壓應(yīng)用的發(fā)展,Littelfuse P溝道功率MOSFET滿足了當(dāng)今電力電子不斷發(fā)展所需的通用功能。Littelfuse P溝道MOSFETs的廣泛應(yīng)用,為工業(yè)和汽車應(yīng)用設(shè)計工程師提供了更簡單、更可靠和優(yōu)化的電路設(shè)計。為了實現(xiàn)特定應(yīng)用的最佳性能,設(shè)計工程師需要在選擇P溝道功率MOSFET時在RDS(on)和Qg之間做出權(quán)衡。

參考:Littelfuse提供的P溝道MOSFETs(https://www.littelfuse.com/products/power-semiconductors/discrete-MOSFETs/p-channel.aspx)和柵極驅(qū)動器(https://www.littelfuse.com/products/integrated-circuits/gate-driver-ics.aspx)。

文章來源:Littelfuse作者:Littelfuse Sachin Shridhar Paradkar、Raymon Zhou、José Padilla)

 

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