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P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用

發(fā)布時間:2018-03-08 來源:Scott Deuty 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】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)計實(shí)例對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,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)計實(shí)例對P溝道和N溝道增強(qiáng)型MOSFET進(jìn)行了比較。
 
對市場營銷人員,MOSFET可能代表能源傳遞最佳方案(Most Optimal Solution for Energy Transfer)的縮寫。對工程師來說,它代表金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(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),這主要是因為N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。 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的柵控決定了它們在SMPS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)動器。
 
P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用
圖1:具有電平移位器的高側(cè)驅(qū)動IC。
 
P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用
圖2:用自舉電路對高側(cè)N溝道MOSFET進(jìn)行柵控。
 
極性決定了MOSFET的圖形符號。不同之處在于體二極管和箭頭符號相對于端子的方向。
 
P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用
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N溝道器件為正的電流和電壓對P溝道器件為負(fù)值。
 
P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用
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。額外的柵極電壓會因½C 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,寄生體二極管導(dǎo)通。當(dāng)柵極沒有電壓時,流入漏極的電流類似于典型的二極管曲線。
 
P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用
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,根據(jù)VGS的值會產(chǎn)生非線性曲線。當(dāng)VGS超過10V時,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,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)。
 
P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用
圖6:施加?xùn)艠O電壓時,N溝道MOSFET工作在第三象限的典型特性。
 
表1對N溝道MOSFET和P溝道MOSFET進(jìn)行了比較。
 
P溝道和N溝道MOSFET在開關(guān)電源中的應(yīng)用
表1:N溝道和P溝道MOSFET的比較。
 
 
 
 
 
 
 
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