耗盡型功率MOSFET的特性

作者：Littelfuse公司產(chǎn)品工程師Aalok Bhatt；產(chǎn)品總監(jiān)José Padilla；產(chǎn)品經(jīng)理Raymon Zhou

耗盡型MOSFET是甚么？

在開(kāi)關(guān)型應(yīng)用中，功率MOSFET通常作為開(kāi)關(guān)使用。然而，在VGS=0V時(shí)作為常 "開(kāi) "開(kāi)關(guān)的功率MOSFET，稱(chēng)為耗盡型(depletion-mode ) MOSFET，通常用于SMPS的啟動(dòng)電路、浪涌和高壓保護(hù)、防反接保護(hù)或固態(tài)繼電器等應(yīng)用中，當(dāng)柵極到源極的電壓VGS為零時(shí)，耗盡型MOSFET需要作為常“開(kāi)”開(kāi)關(guān)運(yùn)行。

耗盡型MOSFET的特性

圖1是耗盡型器件的電路圖示。 耗盡型器件的通道在VGS=0V時(shí)是完全導(dǎo)通的，當(dāng)VGS>0時(shí)電流增加。負(fù)的柵極電壓VGS降低了電流ID，在達(dá)到截止電壓VGS(off)時(shí)截止。圖1說(shuō)明了兩種MOSFET器件在輸出特性方面的主要區(qū)別。

?圖1：耗盡型MOSFET的特性

在某些應(yīng)用中，增強(qiáng)型MOSFET器件在零柵極電壓VGS截止，未能滿足應(yīng)用所需，因此必須使用耗盡型MOSFET。借助耗盡型MOSFET的線性型工作能力，可以節(jié)省整體系統(tǒng)成本，同時(shí)減低復(fù)雜性并提高可靠性，而且柵極從應(yīng)用電路中獲得了偏壓，因此可以節(jié)省柵極驅(qū)動(dòng)電路。

耗盡型MOSFET產(chǎn)品

Littelfuse耗盡型MOSFET有Depletion D、Depletion D2和Depletion CPC產(chǎn)品系列（圖2），它們采用垂直雙擴(kuò)散MOSFET（DMOSFET）結(jié)構(gòu)，具有擴(kuò)展的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA），能在線性型下工作，因而具有高可靠性。是多樣化的耗盡型產(chǎn)品組合。

圖2：Littelfuse耗盡型MOSFET產(chǎn)品組合

高壓（HV）測(cè)試設(shè)備、電源、斜坡信號(hào)發(fā)生器、絕緣電阻測(cè)試設(shè)備或高壓輸電系統(tǒng)的輔助電源等應(yīng)用，都需要使用這類(lèi)耗盡型MOSFET器件。目前Littelfuse正在開(kāi)發(fā)額定電壓為2500V的高壓耗盡型MOSFET產(chǎn)品。

耗盡型功率MOSFET的應(yīng)用

高壓保護(hù)電路

在臺(tái)式或手持式儀器中，耗盡型MOSFET可防止因測(cè)量探頭意外連接到高壓Vmeas而造成的破壞性高壓（圖3）。背對(duì)背配置的MOSFET S1和S2將通過(guò)限制電流來(lái)保護(hù)儀器，保護(hù)探頭上的正電壓和負(fù)電壓。

?圖3：高壓保護(hù)電路

固態(tài)繼電器

耗盡型MOSFET能夠以固態(tài)繼電器（SSR）取代機(jī)械繼電器（EMR）的負(fù)載開(kāi)關(guān)，如圖4所示。固態(tài)繼電器沒(méi)有機(jī)械觸點(diǎn)而具有高可靠性，并且節(jié)省PCB占用空間，也不受磁場(chǎng)影響，廣泛用于醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動(dòng)化、測(cè)量和測(cè)試設(shè)備以及消費(fèi)電子等應(yīng)用。

?圖4：固態(tài)繼電器

恒流源

LED陣列驅(qū)動(dòng)器、維持監(jiān)控系統(tǒng)的電池電量的涓流充電電路、以恒流方式為電容器充電的恒流源也可以使用耗盡型MOSFET實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。耗盡型MOSFET根據(jù)電阻R值和柵極截止電壓VGS(off)而向負(fù)載提供恒定的電流。因此，電流ID與電壓Vin無(wú)關(guān)，這個(gè)電流相當(dāng)于ID≈VGS(off)R。

?圖5：恒流源

SMPS –開(kāi)關(guān)型電源的啟動(dòng)電路

SMPS傳統(tǒng)啟動(dòng)電路通過(guò)功率電阻和齊納二極管，但功率電阻在啟動(dòng)階段之后也會(huì)持續(xù)消耗功率，導(dǎo)致PCB上的熱量過(guò)高，工作效率低下，以及SMPS輸入工作電壓范圍受到限制。耗盡型MOSFET可以替代這種傳統(tǒng)方法，如圖6所示。耗盡型MOSFET提供初始電流以啟動(dòng)運(yùn)作，然后輔助繞組將生成PWM IC所需的功率。耗盡型MOSFET由于靜態(tài)電流較低，在運(yùn)行期間消耗功率最少，從而提高了整體效率。此外，使用耗盡型MOSFET只需更小的PCB面積，并可實(shí)現(xiàn)寬泛的直流輸入電壓范圍，特別適合太陽(yáng)能逆變器和許多不同應(yīng)用。

?圖6： SMPS啟動(dòng)電路

線性電壓調(diào)節(jié)器的浪涌保護(hù)

線性電壓調(diào)節(jié)器可用于汽車(chē)和航空電子應(yīng)用，以減少由電感負(fù)載引起的瞬變，也為CMOS IC、小型模擬電路或其他需要低電流的負(fù)載提供電源。線性電壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓Vin直接來(lái)自母線電壓，電壓變化可能很大，包括應(yīng)用環(huán)境的電壓尖峰。耗盡型MOSFET可用于在線性電壓調(diào)節(jié)器電路中實(shí)施浪涌保護(hù)，優(yōu)點(diǎn)是具有寬泛的直流工作電壓范圍Vin，以及借助MOSFET低靜態(tài)電流而實(shí)現(xiàn)的最小功耗，如圖7所示。這種MOSFET采用源極跟隨器配置連接，源極上的電壓將跟隨柵極上的電壓變化。這種配置用于減少電壓瞬變，直至達(dá)到器件額定電壓VDS耐受能力。

?圖7：浪涌保護(hù)電路

高壓斜坡信號(hào)發(fā)生器

耗盡型MOSFET可用于高壓斜坡發(fā)生器，用于自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，這些應(yīng)用需要在輸出電壓和時(shí)間之間保持線性關(guān)系的高壓斜坡，如圖7所示。恒流源通過(guò)電阻R1給電容C充電，并產(chǎn)生電壓斜坡，即電容上的Vout?？梢酝ㄟ^(guò)控制信號(hào)開(kāi)啟線性MOSFET，以重置斜坡電壓，可通過(guò)電阻R2將電容器放電至零。電阻R2用于限制線性MOSFET的放電電流，使其在SOA額定范圍內(nèi)工作。

?圖8：高壓斜坡發(fā)生器

結(jié)論

Littelfuse提供從60V到1700V電壓范圍的廣泛耗盡型MOSFET系列，可用于要求在柵極電壓為零時(shí)有電流的應(yīng)用，幫助提高效率并增加系統(tǒng)的可靠性。