功率 MOSFET 最常用于開關(guān)模式應(yīng)用中，它們用作開關(guān)。然而，在 SMPS 中的啟動(dòng)電路、浪涌和高壓保護(hù)、反極性保護(hù)或固態(tài)繼電器等應(yīng)用中，功率 MOSFET 在柵極到源極電壓 VGS 為零。當(dāng) VGS=0V 時(shí)作為正?！皩?dǎo)通”開關(guān)工作的功率 MOSFET 被稱為耗盡型 MOSFET。

增強(qiáng)型和耗盡型 MOSFET 的區(qū)別

第一個(gè)明顯的區(qū)別在于增強(qiáng)型 （EM） 和耗盡型 （DM） 器件的電路符號，如圖 1 所示。 EM 器件在 V GS =0V 時(shí)沒有導(dǎo)通，導(dǎo)通從柵極到-源閾值電壓V GS（th）。相反，DM 器件的通道在 V GS =0V 時(shí)完全導(dǎo)通。對于 EM 器件，當(dāng) V GS 》V GS（th）時(shí)，漏極電流 I D增加。在 DM 器件的情況下，當(dāng) V GS 》0 時(shí)電流增加。EM 器件在 V GS處停止傳導(dǎo)GS（th） 而對于 DM 器件，負(fù)柵極電壓 V GS降低了電流 I D并且器件在柵極到源極截止電壓 V GS（off）處停止導(dǎo)通。圖 1 說明了兩種 MOSFET 在輸出特性方面的主要區(qū)別。

圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

圖 1. 增強(qiáng)型和耗盡型 MOSFET 的區(qū)別。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

在某些應(yīng)用中，EM 器件無法替代 DM 器件，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)在零柵極電壓 VGS 下導(dǎo)通。此外，在一些涉及耗盡型 MOSFET 器件的應(yīng)用中，根本不需要柵極驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)闁艠O會(huì)從實(shí)現(xiàn)它的電路中獲得偏置。由于耗盡型 MOSFET 的線性模式操作能力，這將節(jié)省整體系統(tǒng)成本，同時(shí)降低復(fù)雜性并提高可靠性。

耗盡型 MOSFET 產(chǎn)品

Littelfuse 耗盡型功率 MOSFET 采用稱為垂直雙擴(kuò)散 MOSFET （D-MOSFET） 的結(jié)構(gòu)構(gòu)建。由于其擴(kuò)展的正向偏置安全工作區(qū) （FBSOA），所有這些器件都可以維持線性模式運(yùn)行，這使得它們在最終應(yīng)用中具有高度可靠性 ［1］［2］。Littelfuse 的耗盡型 MOSFET 被稱為耗盡型 D、耗盡型 D2 和耗盡型 CPC 產(chǎn)品系列 ［4］。圖 2 概述了各種耗盡型產(chǎn)品組合。

圖 2. Littelfuse 耗盡型 MOSFET 產(chǎn)品組合。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

與 EM 器件不同，DM 器件不用于高速開關(guān)。通常，除了線性 MOSFET ［1］ 之外，EM 器件不具備線性模式操作的能力，而所有 D 和 D2 系列器件都能夠維持線性模式操作，這要?dú)w功于它們的擴(kuò)展 FBSOA。目前正在開發(fā)額定電壓為 2500 V 的高壓耗盡型 MOSFET 產(chǎn)品。高壓 （HV） 測試設(shè)備、電源、斜坡發(fā)生器、絕緣電阻測試設(shè)備或高壓輸電系統(tǒng)的輔助電源等應(yīng)用都需要這種耗盡型 MOSFET。圖 3 顯示了 Littelfuse 耗盡型 MOSFET 在市場上的領(lǐng)先地位。

圖 3. Littelfuse 耗盡型 MOSFET 市場領(lǐng)導(dǎo)地位。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

耗盡型功率 MOSFET 的應(yīng)用

以下應(yīng)用特別適用于耗盡型 MOSFET ［3］。

1. 開關(guān)電源的啟動(dòng)電路 - SMPS

SMPS 的傳統(tǒng)啟動(dòng)電路方法是通過功率電阻器和齊納二極管。在這種方法中，即使在啟動(dòng)階段之后，功率電阻器也會(huì)持續(xù)消耗功率。這會(huì)導(dǎo)致 PCB 過熱、效率低下以及 SMPS 的輸入電壓工作范圍受限。或者，可以采用基于耗盡型 MOSFET 的方法，如圖 4 所示。耗盡型 MOSFET 提供 PWM IC 啟動(dòng)運(yùn)行所需的初始電流。在啟動(dòng)階段之后，輔助繞組將產(chǎn)生 PWM IC 所需的功率。在正常工作期間，耗盡型 MOSFET 由于其低靜態(tài)電流而消耗最少的功率。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是理論上在啟動(dòng)序列后零功耗，從而提高了整體效率。而且，

圖 4. SMPS 啟動(dòng)電路中的耗盡型 MOSFET。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

2、線性穩(wěn)壓器的浪涌保護(hù)

線性穩(wěn)壓器為小型模擬電路、CMOS IC 或任何其他需要低電流的負(fù)載供電，其中輸入電壓 V in直接來自總線電壓。由于應(yīng)用程序的環(huán)境，這可能會(huì)有很大的電壓變化，包括高電壓尖峰。如圖 5 所示，耗盡型 MOSFET 可用于在線性穩(wěn)壓器電路中實(shí)現(xiàn)浪涌保護(hù)。MOSFET 以源極跟隨器配置連接。源極上的電壓將跟隨柵極上的電壓。耗盡型 MOSFET 的導(dǎo)通僅取決于其柵極電壓，而與其漏極電壓無關(guān)。此配置用于減輕任何電壓瞬變，直至器件額定電壓 V DS的耐受能力。 基于耗盡型 MOSFET 的解決方案的優(yōu)點(diǎn)是寬 DC 工作電壓范圍 V in以及由于 MOSFET 的低靜態(tài)電流而使功耗最小。這種保護(hù)的可能用途是在電信電路中以減輕由雷擊引起的瞬變。另一種可能性可能是在汽車和航空電子應(yīng)用中，以減輕由電感負(fù)載引起的瞬態(tài)。

圖 5. 使用耗盡型 MOSFET 的浪涌保護(hù)電路。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

3.恒流源

如圖 6 所示，耗盡型 MOSFET 可用于實(shí)現(xiàn)恒流源。它根據(jù)電阻器 R 的值和柵極截止電壓 V GS（off）為負(fù)載提供恒定電流。電流I D因此與電壓V in無關(guān)。電流等價(jià)于 \（I_{D}\approx\frac{V_{GS（off）}}{R}\）。此類電流源可用于 LED 陣列驅(qū)動(dòng)器、涓流充電器電路，以維持監(jiān)控系統(tǒng)的電池電量，或以恒定速率為電容器充電。

圖 6. 使用耗盡型 MOSFET 的恒流源。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

4. 高壓斜坡發(fā)生器

自動(dòng)測試設(shè)備等應(yīng)用需要輸出電壓和時(shí)間之間具有線性關(guān)系的高壓斜坡。耗盡型 MOSFET 可配置為設(shè)計(jì)一個(gè)高壓斜坡發(fā)生器，如圖 7 所示。恒流源通過電阻器 R1 為電容器 C 充電，并在電容器兩端產(chǎn)生電壓斜坡Vout。線性 MOSFET 可以通過控制信號開啟，以將通過 R2 將電容器放電至零的斜坡電壓復(fù)位。電阻器 R2 用于限制線性 MOSFET 的放電電流，使其在其 SOA 額定值內(nèi)工作。

圖 7. 使用耗盡型 MOSFET 的高壓斜坡發(fā)生器。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

5、高壓保護(hù)電路

耗盡型 MOSFET 可用于保護(hù)測量儀器免受由于測量探頭意外連接到高壓 V meas引起的破壞性高壓（圖 8）。在這種情況下，配置為背靠背配置的 MOSFET S1 和 S2 將通過限制電流來保護(hù)儀器。這將保護(hù)探頭免受正電壓和負(fù)電壓的影響。這種電路的可能用途是在臺(tái)式或手持儀器中。

圖 8.使用耗盡型 MOSFET 的高壓保護(hù)電路。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

6.固態(tài)繼電器

如圖 9 所示，耗盡型 MOSFET 非常適合實(shí)現(xiàn)用于負(fù)載切換的固態(tài)繼電器 （SSR） 來代替機(jī)電繼電器 （EMR）。SSR 的重要優(yōu)點(diǎn)是不受磁場影響，可靠性更高，因?yàn)闆]有機(jī)械觸點(diǎn)，由于消除了觸點(diǎn)顫動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了平穩(wěn)操作，并節(jié)省了 PCB 空間。醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、測量和測試設(shè)備以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等應(yīng)用是 SSR 廣泛使用的示例。

圖 9. 使用耗盡型 MOSFET 的固態(tài)繼電器。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

結(jié)論

只要應(yīng)用需要零柵極電壓下的電流，就可以使用耗盡型 MOSFET。盡管有許多實(shí)際應(yīng)用，但這些設(shè)備幾乎被遺忘了。本文重點(diǎn)介紹的應(yīng)用將幫助設(shè)計(jì)人員在各種工業(yè)應(yīng)用中選擇這些器件，從而提高效率并提高系統(tǒng)可靠性。