標(biāo)題: 功率MOSFET選型第一步：P管，還是N管？ [打印本頁]
作者: 小融1號    時間: 2016-12-6 15:42
標(biāo)題: 功率MOSFET選型第一步：P管，還是N管？
功率MOSFET有二種類型：N溝通和P溝道，在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，選擇N管還是P管，要針對實(shí)際的應(yīng)用具體來選擇。下面先討論這二種溝道的功率MOSFET的特征，然后再論述選擇的原則。

1、N溝通和P溝道功率MOSFET結(jié)構(gòu)

圖1列出這二種溝道功率MOSFET的結(jié)構(gòu)，都是溝槽型Trench結(jié)構(gòu)。從結(jié)構(gòu)上來看，襯底都是漏極D，但半導(dǎo)體的類型不同：N溝道的漏極是N型半導(dǎo)體，P溝道的漏極是P型半導(dǎo)體。

當(dāng)N溝道的功率MOSFET的G極、S極加上正向電壓后，在G極的下面的P型體區(qū)，就會形成一個非常薄的反型層N型，這樣D極的N、反型層N、S極的N，就會形成導(dǎo)通的路徑。


圖1：N溝道(左）、P溝道MOSFET結(jié)構(gòu)

P溝道的工作原理和N溝道類似，從上面導(dǎo)通過程可以看到：功率MOSFET是單極性器，N溝道的功率MOSFET只有電子導(dǎo)電，P溝道的功率MOSFET只有空穴導(dǎo)電。

硅半導(dǎo)體中，由于熱能的存在，電子和空穴，統(tǒng)稱為載流子，在晶格中不停的運(yùn)動，與晶格的其它原子發(fā)生碰撞，使它們的運(yùn)動發(fā)生偏轉(zhuǎn)、減速或加速。電子和空穴二次碰撞間移動的距離稱為平均自由程，通常用二次晶格碰撞的平均時間tc表示。

另外，電子和空穴，在電場的作用下，沿著特征的方向產(chǎn)生運(yùn)動，這種運(yùn)動稱為載流子的漂移。載流子由于電場的作用在晶格中平均移動的速度稱為漂移速度。載流子的漂移速度和電場成正比，比例系數(shù)稱為遷移率u。

vn = -un e

vp = up e


圖2：空穴和電子的遷移率

遷移率和tc成正比，由于空穴的有效質(zhì)量比較大，因此在同樣的摻雜濃度下，空穴的遷移率遠(yuǎn)小于電子，這意味著：同樣的晶元面積，P溝道的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻也遠(yuǎn)大于N溝道的功率MOSFET。

2、N溝通和P溝道功率MOSFET驅(qū)動

N溝道的功率MOSFET連接方式：電源輸入正極連接到D極，由S極輸出；驅(qū)動電壓的正加在G極，驅(qū)動電壓的負(fù)加在S極。

P溝道的功率MOSFET連接方式：電源輸入正極連接到S極，由D極輸出；驅(qū)動電壓的正加在S極，驅(qū)動電壓的負(fù)加在G極。

這樣的連接方式導(dǎo)致二種溝道的功率MOSFET的驅(qū)動方式不同，P溝道的S極連接的是電源的正極，這個電壓總是大于地電位，因此，相對于S極，只要將G極拉低到低于電源的電壓一定的值，就可以導(dǎo)通，如圖3所示，R1/R2將輸入的電壓分壓，保證穩(wěn)定時加在G、S上的最大電壓不超過其額定值。


圖3：P溝道（左）、N溝道MOSFET驅(qū)動

N溝道的G極電壓必須大于S極才能導(dǎo)通工作，如果S極連接到地電位，可以直接驅(qū)動，如圖3所示，橋式電路橋臂的下管。如果S極的電壓不是連接到地，如圖3中橋式電路橋臂的上管，S極的電壓是變動的，如果要驅(qū)動MOSFET正常的工作，必須保證在使用的過程，G極驅(qū)動信號的供電電源的負(fù)端連接在S極上。相對于系統(tǒng)的電源地，G極驅(qū)動信號的供電電源的負(fù)端相當(dāng)于浮在S極上，就是常說的浮驅(qū)、浮地或自舉電源。

3、如何選擇，N溝通還是P溝道？

從上面的分析可以看到，如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源的地，那么選用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅(qū)動。如果功率MOSFET的S極連接的是輸入電源正端，那么選用P溝道的功率MOSFET，也可以直接驅(qū)動。

對于一個橋式電路的上下橋臂，上管使用P溝道的功率MOSFET，可以直接驅(qū)動，驅(qū)動電路設(shè)計簡單。如果上管選用N溝道的功率MOSFET，那么必須采用浮驅(qū)或自舉電路，驅(qū)動電路比較復(fù)雜。對于下管，使用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅(qū)動。

（1）風(fēng)扇控制電路

筆記本電腦、臺式機(jī)和服務(wù)器等通常使用風(fēng)扇給CPU和系統(tǒng)散熱，打印機(jī)進(jìn)紙系統(tǒng)使用電機(jī)驅(qū)動，吸塵器、空氣凈化器、電風(fēng)扇等白家電的電機(jī)控制電路，都使用全橋電路結(jié)構(gòu)，每個橋臂上管使用P管，下管使用N管，而且將P管和N管封裝在一起，這樣系統(tǒng)驅(qū)動簡單，元件數(shù)量少，體積小，結(jié)構(gòu)簡潔，得到廣泛使用，如AO4618。



圖4：電機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)用


圖5：單相、三相電機(jī)控制系統(tǒng)

（2）大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動器

大功率MOSFET或IGBT的驅(qū)動器有時候需要外接上、下對管組成的圖騰驅(qū)動器來增強(qiáng)驅(qū)動的能力，使用MOSFET對管組成的圖騰驅(qū)動器驅(qū)動速度非�？�，因此在一些需要高速驅(qū)動的系統(tǒng)中得到使用。使用P管和N管封裝在一起的對管組成的圖騰驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)簡單，元件數(shù)量少。

（3）次級同步整流電路

在次級同步整流電路中，通常選用低導(dǎo)通電阻、低Qg的N溝道的功率MOSFET�，F(xiàn)在的設(shè)計大多將同步整流功率MOSFET放在低端，而不是放在高端，優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動簡單，但帶來的問題是：由于輸出的地相對是浮動的，因此會產(chǎn)生EMI的問題。

有些客戶的系統(tǒng)中有輔助的浮驅(qū)電源，這樣就可以將N溝道同步整流功率MOSFET管放在高端。

圖6：次級同步整流管放高端（左）、低端

（4）通訊系統(tǒng)48V輸入系統(tǒng)的熱插撥

如果是-48V的系統(tǒng)，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道類型，放在低端，可以直接驅(qū)動。

如果是+48V的系統(tǒng)，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道放在低端，雖然可以直接驅(qū)動，但輸出地會產(chǎn)生浮動的問題。使用P溝道的功率管放在高端，驅(qū)動簡單，但是這個電壓規(guī)格的P溝道的功率管的導(dǎo)通電阻大，而且成本高，因此一些半導(dǎo)體公司就開發(fā)了一些熱插撥的控制芯片，在芯片內(nèi)部集成充電泵，實(shí)現(xiàn)自舉浮動。

（5）筆記本電腦輸入負(fù)載開關(guān)。

筆記本電腦輸入電壓為19V，進(jìn)入系統(tǒng)前，通常在輸入的回路串聯(lián)二個背靠背的功率MOSFET，就是它們的D極是連接在一起的，這二個功率MOSFET有二個作用：

        · 其中的一個相當(dāng)于負(fù)載開關(guān)，限制輸入的浪涌電流。

        · 另一個實(shí)現(xiàn)輸入防反接功能。


由于浮地的原因，這二個背靠背的功率管不能放在低端，也就是不能串聯(lián)接入輸入地，必須放在高端，也就是串聯(lián)接入輸入電源的正端回路。

以前這二個背靠背的功率管都采用P溝道的功率管，現(xiàn)在的系統(tǒng)對于成本和功耗的要求越來越高，P溝道的功率MOSFET的導(dǎo)通電阻大，正常工作的時候，靜態(tài)功耗也比較大，而且成本也高，選型的種類少。為了解決高端自舉驅(qū)動問題，一些半導(dǎo)體公司也開發(fā)了針對筆記本電腦應(yīng)用的集成負(fù)載開關(guān)和電池充電等功能的控制芯片，在芯片內(nèi)部集成充電泵，實(shí)現(xiàn)自舉浮動。即便如此，仍然有些系統(tǒng)采用容易驅(qū)動的P管。

圖7：筆記本電腦輸入端電路

筆記本電腦、電視機(jī)等應(yīng)用中，板上的5V、3.3V等電源的負(fù)載開關(guān)，仍然采用驅(qū)動簡單的P管作為控制管。

（6）CCFL的背光

以前筆記本電腦的CCFL背光使用全橋或半橋電路，和風(fēng)扇控制電路相似，每個橋臂上管使用P管，下管使用N管，而且將P管和N管封裝在一起，這樣的結(jié)構(gòu)曾經(jīng)得到廣泛使用。后來LED背光的大量使用，CCFL逐漸退出這個市場。





文章來源：微信公眾號   融創(chuàng)芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務(wù)平臺，項目眾包平臺，方案共享平臺）





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