P沟道和N沟道MOSFET在开关电源中的应用

电子

自1980年代中期以来，MOSFET一直是大多数开关电源（SMPS）首选的晶体管技术。当用作门控整流器时，MOSFET是主开关晶体管且兼具提高效率的作用。为选择最适合电源应用的开关，本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET进行了比较。

对市场营销人员，MOSFET可能代表能源传递最佳方案（Most Optimal Solution for Energy Transfer）的缩写。对工程师来说，它代表金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）。

由于具有较低的导通电阻（RDS(on)）和较小尺寸，N沟道MOSFET在产品选择上超过了P沟道。在降压稳压器应用中，基于栅控电压极性、器件尺寸和串联电阻等多种因素，使用P沟道MOSFET或N沟道MOSFET作为主开关。同步整流器应用几乎总是使用N沟道技术，这主要是因为N沟道的RDS(on)小于P沟道的，并且通过在栅极上施加正电压导通。

MOSFET多数是载流子器件， N沟道MOSFET在导电过程中有电子流动。 P沟道在导电期间使用被称为空穴的正电荷。电子的流动性是空穴的三倍。尽管没有直接的相关性，就RDS(on)而言，为得到相等的值，P沟道的管芯尺寸大约是N沟道的三倍。因此N沟道的管芯尺寸更小。

N沟道MOSFET在栅-源极端子上施加适当阈值的正电压时导通；P沟道MOSFET通过施加给定的负的栅-源极电压导通。

MOSFET的栅控决定了它们在SMPS转换器中的应用。例如，N沟道MOSFET更适用于以地为参考的低侧开关，特别是用于升压、SEPIC、正向和隔离反激式转换器。在同步整流器应用以及以太网供电（PoE）输入整流器中，低侧开关也被用来代替二极管作为整流器。P沟道MOSFET最常用作输入电压低于15VDC的降压稳压器中的高侧开关。根据应用的不同，N沟道MOSFET也可用作降压稳压器高侧开关。这些应用需要自举电路或其它形式的高侧驱动器。

图1：具有电平移位器的高侧驱动IC

图2：用自举电路对高侧N沟道MOSFET进行栅控

极性决定了MOSFET的图形符号。不同之处在于体二极管和箭头符号相对于端子的方向。

图3：P沟道和N沟道MOSFET的原理图

注意体二极管和箭头相对漏极（D）和源极（S）端子的方向。

极性和MOSFET工作特性

极性决定了MOSFET的工作特性。对N沟道器件为正的电流和电压对P沟道器件为负值。

图4：MOSFET第一象限特征

在有充足电压施加到栅-源极端子的欧姆区域（ohmic region），MOSFET“完全导通”。在对比图中，N沟道欧姆区的VGS是7V，而P沟道的是-4.5V。

随着栅极电压增加，欧姆曲线的斜率变得更陡，表明器件导电能力更强。施加的栅极电压越高，MOSFET的RDS(on)就越小。在某些应用中，对MOSFET进行栅控的是可以提供令人满意的RDS(on)的电压。额外的栅极电压会因½C x Vgs x Vgs x f产生功耗，其中栅极电荷和开关频率在确定MOSFET技术的最终工作点和选用方面起着重要作用。

MOSFET既可工作在第一象限，也可工作在第三象限。没有施加栅-源极电压时，寄生体二极管导通。当栅极没有电压时，流入漏极的电流类似于典型的二极管曲线。

图5：未栅控N沟道MOSFET工作于第三象限的典型特性

施加栅极电压时，根据VGS的值会产生非线性曲线。当VGS超过10V时，N沟道MOSFET完全在第三象限欧姆区内工作。然而，当栅极电压低于10V时，二极管电压钳位于各种漏极电流水平。在非线性曲线中见到的弯曲是二极管和欧姆区之间的转变点。

图6：施加栅极电压时，N沟道MOSFET工作在第三象限的典型特性

表1对N沟道MOSFET和P沟道MOSFET进行了比较。

表1：N沟道和P沟道MOSFET的比较