功率MOSFET选型第一步:P管,还是N管?

功率MOSFET有二种类型：N沟通和P沟道，在系统设计的过程中，选择N管还是P管，要针对实际的应用具体来选择。下面先讨论这二种沟道的功率MOSFET的特征，然后再论述选择的原则。

1、N沟通和P沟道功率MOSFET结构

图1列出这二种沟道功率MOSFET的结构，都是沟槽型Trench结构。从结构上来看，衬底都是漏极D，但半导体的类型不同：N沟道的漏极是N型半导体，P沟道的漏极是P型半导体。

当N沟道的功率MOSFET的G极、S极加上正向电压后，在G极的下面的P型体区，就会形成一个非常薄的反型层N型，这样D极的N、反型层N、S极的N，就会形成导通的路径。

图1：N沟道(左）、P沟道MOSFET结构

P沟道的工作原理和N沟道类似，从上面导通过程可以看到：功率MOSFET是单极性器，N沟道的功率MOSFET只有电子导电，P沟道的功率MOSFET只有空穴导电。

硅半导体中，由于热能的存在，电子和空穴，统称为载流子，在晶格中不停的运动，与晶格的其它原子发生碰撞，使它们的运动发生偏转、减速或加速。电子和空穴二次碰撞间移动的距离称为平均自由程，通常用二次晶格碰撞的平均时间tc表示。

另外，电子和空穴，在电场的作用下，沿着特征的方向产生运动，这种运动称为载流子的漂移。载流子由于电场的作用在晶格中平均移动的速度称为漂移速度。载流子的漂移速度和电场成正比，比例系数称为迁移率u。

vn = -un e

vp = up e

图2：空穴和电子的迁移率

迁移率和tc成正比，由于空穴的有效质量比较大，因此在同样的掺杂浓度下，空穴的迁移率远小于电子，这意味着：同样的晶元面积，P沟道的功率MOSFET的导通电阻也远大于N沟道的功率MOSFET。

2、N沟通和P沟道功率MOSFET驱动

N沟道的功率MOSFET连接方式：电源输入正极连接到D极，由S极输出；驱动电压的正加在G极，驱动电压的负加在S极。

P沟道的功率MOSFET连接方式：电源输入正极连接到S极，由D极输出；驱动电压的正加在S极，驱动电压的负加在G极。

这样的连接方式导致二种沟道的功率MOSFET的驱动方式不同，P沟道的S极连接的是电源的正极，这个电压总是大于地电位，因此，相对于S极，只要将G极拉低到低于电源的电压一定的值，就可以导通，如图3所示，R1/R2将输入的电压分压，保证稳定时加在G、S上的最大电压不超过其额定值。

图3：P沟道（左）、N沟道MOSFET驱动

N沟道的G极电压必须大于S极才能导通工作，如果S极连接到地电位，可以直接驱动，如图3所示，桥式电路桥臂的下管。如果S极的电压不是连接到地，如图3中桥式电路桥臂的上管，S极的电压是变动的，如果要驱动MOSFET正常的工作，必须保证在使用的过程，G极驱动信号的供电电源的负端连接在S极上。相对于系统的电源地，G极驱动信号的供电电源的负端相当于浮在S极上，就是常说的浮驱、浮地或自举电源。

3、如何选择，N沟通还是P沟道？

从上面的分析可以看到，如果功率MOSFET的S极连接的是输入电源的地，那么选用N沟道的功率MOSFET，可以直接驱动。如果功率MOSFET的S极连接的是输入电源正端，那么选用P沟道的功率MOSFET，也可以直接驱动。

对于一个桥式电路的上下桥臂，上管使用P沟道的功率MOSFET，可以直接驱动，驱动电路设计简单。如果上管选用N沟道的功率MOSFET，那么必须采用浮驱或自举电路，驱动电路比较复杂。对于下管，使用N沟道的功率MOSFET，可以直接驱动。

（1）风扇控制电路

笔记本电脑、台式机和服务器等通常使用风扇给CPU和系统散热，打印机进纸系统使用电机驱动，吸尘器、空气净化器、电风扇等白家电的电机控制电路，都使用全桥电路结构，每个桥臂上管使用P管，下管使用N管，而且将P管和N管封装在一起，这样系统驱动简单，元件数量少，体积小，结构简洁，得到广泛使用，如AO4618。

图4：电机控制系统应用

图5：单相、三相电机控制系统

（2）大功率MOSFET或IGBT的驱动器

大功率MOSFET或IGBT的驱动器有时候需要外接上、下对管组成的图腾驱动器来增强驱动的能力，使用MOSFET对管组成的图腾驱动器驱动速度非常快，因此在一些需要高速驱动的系统中得到使用。使用P管和N管封装在一起的对管组成的图腾驱动器，结构简单，元件数量少。

（3）次级同步整流电路

在次级同步整流电路中，通常选用低导通电阻、低Qg的N沟道的功率MOSFET。现在的设计大多将同步整流功率MOSFET放在低端，而不是放在高端，优点是驱动简单，但带来的问题是：由于输出的地相对是浮动的，因此会产生EMI的问题。

有些客户的系统中有辅助的浮驱电源，这样就可以将N沟道同步整流功率MOSFET管放在高端。

图6：次级同步整流管放高端（左）、低端

（4）通讯系统48V输入系统的热插拨

如果是-48V的系统，热插拨的功率MOSFET使用N沟道类型，放在低端，可以直接驱动。

如果是+48V的系统，热插拨的功率MOSFET使用N沟道放在低端，虽然可以直接驱动，但输出地会产生浮动的问题。使用P沟道的功率管放在高端，驱动简单，但是这个电压规格的P沟道的功率管的导通电阻大，而且成本高，因此一些半导体公司就开发了一些热插拨的控制芯片，在芯片内部集成充电泵，实现自举浮动。

（5）笔记本电脑输入负载开关。

笔记本电脑输入电压为19V，进入系统前，通常在输入的回路串联二个背靠背的功率MOSFET，就是它们的D极是连接在一起的，这二个功率MOSFET有二个作用：

· 其中的一个相当于负载开关，限制输入的浪涌电流。

· 另一个实现输入防反接功能。

由于浮地的原因，这二个背靠背的功率管不能放在低端，也就是不能串联接入输入地，必须放在高端，也就是串联接入输入电源的正端回路。

以前这二个背靠背的功率管都采用P沟道的功率管，现在的系统对于成本和功耗的要求越来越高，P沟道的功率MOSFET的导通电阻大，正常工作的时候，静态功耗也比较大，而且成本也高，选型的种类少。为了解决高端自举驱动问题，一些半导体公司也开发了针对笔记本电脑应用的集成负载开关和电池充电等功能的控制芯片，在芯片内部集成充电泵，实现自举浮动。即便如此，仍然有些系统采用容易驱动的P管。

图7：笔记本电脑输入端电路

笔记本电脑、电视机等应用中，板上的5V、3.3V等电源的负载开关，仍然采用驱动简单的P管作为控制管。

（6）CCFL的背光

以前笔记本电脑的CCFL背光使用全桥或半桥电路，和风扇控制电路相似，每个桥臂上管使用P管，下管使用N管，而且将P管和N管封装在一起，这样的结构曾经得到广泛使用。后来LED背光的大量使用，CCFL逐渐退出这个市场。