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P沟道和N沟道MOSFET在开关电源中的应用

时间:2018-03-02 作者:Scott Deuty 阅读:
自1980年代中期以来,MOSFET一直是大多数开关电源(SMPS)选择的晶体管技术。MOSFET用作主开关晶体管,并用作门控整流器来提高效率。本设计实例对P沟道和N沟道增强型MOSFET做了比较,以便选择最适合电源应用的开关。

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。

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图1:具有电平移位器的高侧驱动IC。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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表1:N沟道和P沟道MOSFET的比较。

《电子技术设计》2018年3月刊版权所有,转载请注明来源及链接。

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Scott Deuty
Scott Deuty是资深电力电子工程师,具有超过30年的工程、营销、业务开发和写作经验。Scott Deuty拥有弗吉尼亚理工大学电力电子系统中心 (CPES) 硕士学位。
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