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標題: 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，在系統設計的過程中，選擇N管還是P管，要針對實際的應用具體來選擇。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結構

圖1列出這二種溝道功率MOSFET的結構，都是溝槽型Trench結構。從結構上來看，襯底都是漏極D，但半導體的類型不同：N溝道的漏極是N型半導體，P溝道的漏極是P型半導體。

當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，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，就會形成導通的路徑。

圖1：N溝道(左）、P溝道MOSFET結構

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

硅半導體中，由于熱能的存在，電子和空穴，統稱為載流子，在晶格中不停的運動，與晶格的其它原子發生碰撞，使它們的運動發生偏轉、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，沿著特征的方向產生運動，這種運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，由于空穴的有效質量比較大，因此在同樣的摻雜濃度下，空穴的遷移率遠小于電子，這意味著：同樣的晶元面積，P溝道的功率MOSFET的導通電阻也遠大于N溝道的功率MOSFET。

2、N溝通和P溝道功率MOSFET驅動

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；驅動電壓的正加在G極，驅動電壓的負加在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；驅動電壓的正加在S極，驅動電壓的負加在G極。

這樣的連接方式導致二種溝道的功率MOSFET的驅動方式不同，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，就可以導通，如圖3所示，R1/R2將輸入的電壓分壓，保證穩定時加在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驅動

N溝道的G極電壓必須大于S極才能導通工作，如果S極連接到地電位，可以直接驅動，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，如果要驅動MOSFET正常的工作，必須保證在使用的過程，G極驅動信號的供電電源的負端連接在S極上。相對于系統的電源地，G極驅動信號的供電電源的負端相當于浮在S極上，就是常說的浮驅、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，可以直接驅動，驅動電路設計簡單。如果上管選用N溝道的功率MOSFET，那么必須采用浮驅或自舉電路，驅動電路比較復雜。對于下管，使用N溝道的功率MOSFET，可以直接驅動。

（1）風扇控制電路

筆記本電腦、臺式機和服務器等通常使用風扇給CPU和系統散熱，打印機進紙系統使用電機驅動，吸塵器、空氣凈化器、電風扇等白家電的電機控制電路，都使用全橋電路結構，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，這樣系統驅動簡單，元件數量少，體積小，結構簡潔，得到廣泛使用，如AO4618。

圖4：電機控制系統應用

圖5：單相、三相電機控制系統

（2）大功率MOSFET或IGBT的驅動器

大功率MOSFET或IGBT的驅動器有時候需要外接上、下對管組成的圖騰驅動器來增強驅動的能力，使用MOSFET對管組成的圖騰驅動器驅動速度非常快，因此在一些需要高速驅動的系統中得到使用。使用P管和N管封裝在一起的對管組成的圖騰驅動器，結構簡單，元件數量少。

（3）次級同步整流電路

在次級同步整流電路中，通常選用低導通電阻、低Qg的N溝道的功率MOSFET。現在的設計大多將同步整流功率MOSFET放在低端，而不是放在高端，優點是驅動簡單，但帶來的問題是：由于輸出的地相對是浮動的，因此會產生EMI的問題。

有些客戶的系統中有輔助的浮驅電源，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48V輸入系統的熱插撥

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

如果是+48V的系統，熱插撥的功率MOSFET使用N溝道放在低端，雖然可以直接驅動，但輸出地會產生浮動的問題。使用P溝道的功率管放在高端，驅動簡單，但是這個電壓規格的P溝道的功率管的導通電阻大，而且成本高，因此一些半導體公司就開發了一些熱插撥的控制芯片，在芯片內部集成充電泵，實現自舉浮動。

（5）筆記本電腦輸入負載開關。

筆記本電腦輸入電壓為19V，進入系統前，通常在輸入的回路串聯二個背靠背的功率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：

· 其中的一個相當于負載開關，限制輸入的浪涌電流。

· 另一個實現輸入防反接功能。

由于浮地的原因，這二個背靠背的功率管不能放在低端，也就是不能串聯接入輸入地，必須放在高端，也就是串聯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，現在的系統對于成本和功耗的要求越來越高，P溝道的功率MOSFET的導通電阻大，正常工作的時候，靜態功耗也比較大，而且成本也高，選型的種類少。為了解決高端自舉驅動問題，一些半導體公司也開發了針對筆記本電腦應用的集成負載開關和電池充電等功能的控制芯片，在芯片內部集成充電泵，實現自舉浮動。即便如此，仍然有些系統采用容易驅動的P管。

圖7：筆記本電腦輸入端電路

筆記本電腦、電視機等應用中，板上的5V、3.3V等電源的負載開關，仍然采用驅動簡單的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，這樣的結構曾經得到廣泛使用。后來LED背光的大量使用，CCFL逐漸退出這個市場。

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

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