P溝道和N溝道MOSFET在開關電源中的應用

2020-11-26 EDN電子設計技術

自1980年代中期以來，MOSFET一直是大多數開關電源（SMPS）首選的電晶體技術。當用作門控整流器時，MOSFET是主開關電晶體且兼具提高效率的作用。為選擇最適合電源應用的開關，本設計實例對P溝道和N溝道增強型MOSFET進行了比較。JQrednc

對市場營銷人員，MOSFET可能代表能源傳遞最佳方案（Most Optimal Solution for Energy Transfer）的縮寫。對工程師來說，它代表金屬氧化物半導體場效應電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。JQrednc

由於具有較低的導通電阻（RDS(on)）和較小尺寸，N溝道MOSFET在產品選擇上超過了P溝道。在降壓穩壓器應用中，基於柵控電壓極性、器件尺寸和串聯電阻等多種因素，使用P溝道MOSFET或N溝道MOSFET作為主開關。同步整流器應用幾乎總是使用N溝道技術，這主要是因為N溝道的RDS(on)小於P溝道的，並且通過在柵極上施加正電壓導通。JQrednc

MOSFET多數是載流子器件， N溝道MOSFET在導電過程中有電子流動。 P溝道在導電期間使用被稱為空穴的正電荷。電子的流動性是空穴的三倍。儘管沒有直接的相關性，就RDS(on)而言，為得到相等的值，P溝道的管芯尺寸大約是N溝道的三倍。因此N溝道的管芯尺寸更小。JQrednc

N溝道MOSFET在柵-源極端子上施加適當閾值的正電壓時導通；P溝道MOSFET通過施加給定的負的柵-源極電壓導通。JQrednc

MOSFET的柵控決定了它們在SMPS轉換器中的應用。例如，N溝道MOSFET更適用於以地為參考的低側開關，特別是用於升壓、SEPIC、正向和隔離反激式轉換器。在同步整流器應用以及乙太網供電（PoE）輸入整流器中，低側開關也被用來代替二極體作為整流器。P溝道MOSFET最常用作輸入電壓低於15VDC的降壓穩壓器中的高側開關。根據應用的不同，N溝道MOSFET也可用作降壓穩壓器高側開關。這些應用需要自舉電路或其它形式的高側驅動器。JQrednc


圖1：具有電平移位器的高側驅動IC。JQrednc

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圖2：用自舉電路對高側N溝道MOSFET進行柵控。JQrednc

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極性決定了MOSFET的圖形符號。不同之處在於體二極體和箭頭符號相對於端子的方向。JQrednc


圖3：P溝道和N溝道MOSFET的原理圖。注意體二極體和箭頭相對漏極（D）和源極（S）端子的方向。JQrednc

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極性和MOSFET工作特性

極性決定了MOSFET的工作特性。 對N溝道器件為正的電流和電壓對P溝道器件為負值。JQrednc


圖4：MOSFET第一象限特徵。JQrednc

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在有充足電壓施加到柵-源極端子的歐姆區域（ohmic region），MOSFET「完全導通」。在對比圖中，N溝道歐姆區的VGS是7V，而P溝道的是-4.5V。JQrednc

隨著柵極電壓增加，歐姆曲線的斜率變得更陡，表明器件導電能力更強。施加的柵極電壓越高，MOSFET的RDS(on)就越小。在某些應用中，對MOSFET進行柵控的是可以提供令人滿意的RDS(on)的電壓。額外的柵極電壓會因½C x Vgs x Vgs x f產生功耗，其中柵極電荷和開關頻率在確定MOSFET技術的最終工作點和選用方面起著重要作用。JQrednc

MOSFET既可工作在第一象限，也可工作在第三象限。沒有施加柵-源極電壓時，寄生體二極體導通。當柵極沒有電壓時，流入漏極的電流類似於典型的二極體曲線。JQrednc


圖5：未柵控N溝道MOSFET工作於第三象限的典型特性。JQrednc

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施加柵極電壓時，根據VGS的值會產生非線性曲線。當VGS超過10V時，N溝道MOSFET完全在第三象限歐姆區內工作。然而，當柵極電壓低於10V時，二極體電壓鉗位於各種漏極電流水平。在非線性曲線中見到的彎曲是二極體和歐姆區之間的轉變點。JQrednc


圖6：施加柵極電壓時，N溝道MOSFET工作在第三象限的典型特性。JQrednc

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表1對N溝道MOSFET和P溝道MOSFET進行了比較。JQrednc


表1：N溝道和P溝道MOSFET的比較。JQrednc

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《電子技術設計》2018年3月刊版權所有，轉載請註明來源及連結。JQrednc

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