對市場行銷人員來說,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體場效電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)。

由於具有較低的導通電阻(RDS(on))和較小尺寸,N通道MOSFET在產品選擇上超過了P通道。在降壓穩壓器應用中,基於閘控電壓極性、元件尺寸和串聯電阻等多種因素,使用P通道MOSFET或N通道MOSFET作為主開關。同步整流器應用幾乎總是使用N通道技術,這主要是因為N通道的RDS(on)小於P通道的RDS(on),並且透過在閘極上施加正電壓導通。

20180331TA01P1 圖1 具有電平移位器的高側驅動IC。

MOSFET多數是載流子元件,N通道MOSFET在導電過程中有電子流動;P通道在導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。儘管沒有直接的相關性,就RDS(on)而言,為得到相等的值,P通道的管芯尺寸大約是N通道的三倍,因此N通道的管芯尺寸更小。

20180331TA01P2 圖2 用自舉電路對高側N通道MOSFET進行閘控。

N通道MOSFET在閘-源極端子上施加適當閾值的正電壓時導通;P通道MOSFET透過施加給定的負的閘-源極電壓導通。

MOSFET的閘控決定了它們在SMPS轉換器中的應用。例如,N通道MOSFET更適用於以地為參考的低側開關,特別是用於升壓、SEPIC、正向和隔離反馳式轉換器。在同步整流器應用及乙太網路供電(PoE)輸入整流器中,低側開關也被用來代替二極體作為整流器。P通道MOSFET最常用作輸入電壓低於15VDC的降壓穩壓器中的高側開關,根據應用的不同,N通道MOSFET也可用作降壓穩壓器高側開關,不過這些應用需要自舉電路或其他形式的高側驅動器。

極性決定了MOSFET的圖形符號。不同之處在於體二極體和箭頭符號相對於端子的方向。

極性和MOSFET工作特性

極性決定了MOSFET的工作特性。對N通道元件為正的電流和電壓對P通道元件為負值。

20180331TA01P3 圖3 P通道和N通道MOSFET的原理圖。注意體二極體和箭頭相對漏極(D)和源極(S)端子的方向。

在有充足電壓施加到閘-源極端子的歐姆區域(ohmic region),MOSFET「完全導通」。在對比圖中,N通道歐姆區的VGS是7V,而P通道的是-4.5V。

20180331TA01P4 圖4 MOSFET第一象限特徵。

隨著閘極電壓增加,歐姆曲線的斜率變得更陡,顯示元件導電能力更強。施加的閘極電壓越高,MOSFET的RDS(on)就越小。在某些應用中,對MOSFET進行閘控的是可以提供令人滿意的RDS(on)的電壓。額外的閘極電壓會因1/2C×Vgs×V
gs×f產生功耗,其中閘極電荷和開關頻率在確定MOSFET技術的最終工作點和選用方面有重要作用。

MOSFET既可工作在第一象限,也可工作在第三象限。沒有施加閘-源極電壓時,寄生體二極體導通。當閘極沒有電壓時,流入漏極的電流類似於典型的二極體曲線。

20180331TA01P5 圖5 未閘控N通道MOSFET工作於第三象限的典型特性。

施加閘極電壓時,根據VGS的值會產生非線性曲線。當VGS超過10V時,N通道MOSFET完全在第三象限歐姆區內工作。然而,當閘極電壓低於10V時,二極體電壓鉗位於各種漏極電流水準,且在非線性曲線中見到的彎曲是二極體和歐姆區之間的轉變點。

20180331TA01P6 圖6 施加閘極電壓時,N通道MOSFET工作在第三象限的典型特性。

20180331TA01P6-1 表1 N通道和P通道MOSFET的比較。

(參考原文:P Channel and N Channel MOSFETs in Switched Mode Power Supply Applications,by Scott Deuty)