P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用

自1980年代中期以來，MOSFET一直是大多數(shù)開關(guān)電源（SMPS）選擇的晶體管技術(shù)。MOSFET用作主開關(guān)晶體管，并用作門控整流器來提高效率。本設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)P溝道和N溝道增強(qiáng)型MOSFET做了比較，以便選擇最適合電源應(yīng)用的開關(guān)。

自1980年代中期以來，MOSFET一直是大多數(shù)開關(guān)電源（SMPS）首選的晶體管技術(shù)。當(dāng)用作門控整流器時(shí)，MOSFET是主開關(guān)晶體管且兼具提高效率的作用。為選擇最適合電源應(yīng)用的開關(guān)，本設(shè)計(jì)實(shí)例對(duì)P溝道和N溝道增強(qiáng)型MOSFET進(jìn)行了比較。

對(duì)市場(chǎng)營(yíng)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(duì)工程師來說，它代表金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

由于具有較低的導(dǎo)通電阻（RDS(on)）和較小尺寸，N溝道MOSFET在產(chǎn)品選擇上超過了P溝道。在降壓穩(wěn)壓器應(yīng)用中，基于柵控電壓極性、器件尺寸和串聯(lián)電阻等多種因素，使用P溝道MOSFET或N溝道MOSFET作為主開關(guān)。同步整流器應(yīng)用幾乎總是使用N溝道技術(shù)，這主要是因?yàn)镹溝道的RDS(on)小于P溝道的，并且通過在柵極上施加正電壓導(dǎo)通。

MOSFET多數(shù)是載流子器件， N溝道MOSFET在導(dǎo)電過程中有電子流動(dòng)。 P溝道在導(dǎo)電期間使用被稱為空穴的正電荷。電子的流動(dòng)性是空穴的三倍。盡管沒有直接的相關(guān)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。

N溝道MOSFET在柵-源極端子上施加適當(dāng)閾值的正電壓時(shí)導(dǎo)通；P溝道MOSFET通過施加給定的負(fù)的柵-源極電壓導(dǎo)通。

MOSFET的柵控決定了它們?cè)赟MPS轉(zhuǎn)換器中的應(yīng)用。例如，N溝道MOSFET更適用于以地為參考的低側(cè)開關(guān)，特別是用于升壓、SEPIC、正向和隔離反激式轉(zhuǎn)換器。在同步整流器應(yīng)用以及以太網(wǎng)供電（PoE）輸入整流器中，低側(cè)開關(guān)也被用來代替二極管作為整流器。P溝道MOSFET最常用作輸入電壓低于15VDC的降壓穩(wěn)壓器中的高側(cè)開關(guān)。根據(jù)應(yīng)用的不同，N溝道MOSFET也可用作降壓穩(wěn)壓器高側(cè)開關(guān)。這些應(yīng)用需要自舉電路或其它形式的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器。

圖1：具有電平移位器的高側(cè)驅(qū)動(dòng)IC。

圖2：用自舉電路對(duì)高側(cè)N溝道MOSFET進(jìn)行柵控。

極性決定了MOSFET的圖形符號(hào)。不同之處在于體二極管和箭頭符號(hào)相對(duì)于端子的方向。

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

極性和MOSFET工作特性

極性決定了MOSFET的工作特性。 對(duì)N溝道器件為正的電流和電壓對(duì)P溝道器件為負(fù)值。

圖4：MOSFET第一象限特征。

在有充足電壓施加到柵-源極端子的歐姆區(qū)域（ohmic region），MOSFET“完全導(dǎo)通”。在對(duì)比圖中，N溝道歐姆區(qū)的VGS是7V，而P溝道的是-4.5V。

隨著柵極電壓增加，歐姆曲線的斜率變得更陡，表明器件導(dǎo)電能力更強(qiáng)。施加的柵極電壓越高，MOSFET的RDS(on)就越小。在某些應(yīng)用中，對(duì)MOSFET進(jìn)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(huì)因?C x Vgs x Vgs x f產(chǎn)生功耗，其中柵極電荷和開關(guān)頻率在確定MOSFET技術(shù)的最終工作點(diǎn)和選用方面起著重要作用。

MOSFET既可工作在第一象限，也可工作在第三象限。沒有施加?xùn)?源極電壓時(shí)，寄生體二極管導(dǎo)通。當(dāng)柵極沒有電壓時(shí)，流入漏極的電流類似于典型的二極管曲線。

圖5：未柵控N溝道MOSFET工作于第三象限的典型特性。

施加?xùn)艠O電壓時(shí)，根據(jù)VGS的值會(huì)產(chǎn)生非線性曲線。當(dāng)VGS超過10V時(shí)，N溝道MOSFET完全在第三象限歐姆區(qū)內(nèi)工作。然而，當(dāng)柵極電壓低于10V時(shí)，二極管電壓鉗位于各種漏極電流水平。在非線性曲線中見到的彎曲是二極管和歐姆區(qū)之間的轉(zhuǎn)變點(diǎn)。

圖6：施加?xùn)艠O電壓時(shí)，N溝道MOSFET工作在第三象限的典型特性。

表1對(duì)N溝道MOSFET和P溝道MOSFET進(jìn)行了比較。

表1：N溝道和P溝道MOSFET的比較。