耗盡型功率MOSFET：被忽略的MOS產(chǎn)品

功率MOSFET最常用于開關(guān)型應(yīng)用中，發(fā)揮著開關(guān)的作用。然而，在諸如SMPS的啟動電路、浪涌和高壓保護、防反接保護或固態(tài)繼電器等應(yīng)用中，當(dāng)柵極到源極的電壓VGS為零時，功率MOSFET需要作為?！伴_”開關(guān)運行。在VGS=0V時作為常 "開 "開關(guān)的功率MOSFET，稱為耗盡型(depletion-mode ) MOSFET。

功率MOSFET最常用于開關(guān)型應(yīng)用中，發(fā)揮著開關(guān)的作用。然而，在諸如SMPS的啟動電路、浪涌和高壓保護、防反接保護或固態(tài)繼電器等應(yīng)用中，當(dāng)柵極到源極的電壓VGS為零時，功率MOSFET需要作為?！伴_”開關(guān)運行。在VGS=0V時作為常 "開 "開關(guān)的功率MOSFET，稱為耗盡型(depletion-mode ) MOSFET。
增強型和耗盡型MOSFET之間的區(qū)別
第一個主要的區(qū)別是增強型（EM）和耗盡型（DM）器件的電路圖示，如圖1所示。EM器件在VGS=0V時沒有導(dǎo)通，而在達到柵極到源極閾值電壓VGS(th)開始導(dǎo)通。相反地，DM器件的通道在VGS=0V時是完全導(dǎo)通的。對于EM器件，當(dāng)VGS>VGS(th)時，漏極電流ID增加。對于DM器件，則當(dāng)VGS>0時電流增加；EM器件在VGS

圖1：增強型和耗盡型MOSFET之間的區(qū)別

在某些應(yīng)用中，增強型EM器件不能取代耗盡型DM器件，因為它們在零柵極電壓VGS截止。此外，在一些涉及耗盡型MOSFET器件的應(yīng)用中，根本不需要使用柵極驅(qū)動電路，因為柵極從應(yīng)用電路中獲得了偏壓。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，同時減低復(fù)雜性并提高可靠性。
耗盡型MOSFET產(chǎn)品
Littelfuse耗盡型功率MOSFET采用垂直雙擴散MOSFET（DMOSFET）的結(jié)構(gòu)。所有這些器件都能工作在線性型下，這要歸功于擴展的正向偏置安全工作區(qū)（FBSOA），因而在終端應(yīng)用中具有較高的可靠性[1][2]。Littelfuse耗盡型MOSFET有Depletion D、Depletion D2和Depletion CPC產(chǎn)品系列[4]，圖2概述多樣化的耗盡型(DM)產(chǎn)品組合。

圖2：Littelfuse耗盡型MOSFET產(chǎn)品組合

與EM器件不同，DM器件并不用于高頻應(yīng)用。通常，除了線性MOSFET之外，EM器件不能夠工作在線性型[1]；然而，所有D系列和D2系列DM器件均具有擴展的FBSOA，因此能夠工作在線性型。目前正在開發(fā)額定電壓為2500V的高壓耗盡型MOSFET產(chǎn)品。高壓（HV）測試設(shè)備、電源、斜坡信號發(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，都需要使用這類耗盡型MOSFET器件。圖3說明Littelfuse耗盡型MOSFET在市場上占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位。

圖3：Littelfuse耗盡型MOSFET具有市場領(lǐng)導(dǎo)地位

耗盡型功率MOSFET的應(yīng)用
以下是獨特適合耗盡型MOSFET產(chǎn)品的應(yīng)用[3]。
1. 開關(guān)型電源的啟動電路 - SMPS
SMPS傳統(tǒng)啟動電路方法是通過功率電阻和齊納二極管。在這種方法中，即使在啟動階段之后，功率電阻也會持續(xù)消耗功率，這導(dǎo)致PCB上的熱量過高，工作效率低下，以及SMPS輸入工作電壓范圍受到限制。可以采用基于耗盡型MOSFET的方法來替代，如圖4所示。耗盡型MOSFET提供PWM IC所需的初始電流以啟動運作。在啟動階段之后，輔助繞組將生成PWM IC所需的功率。在正常運行期間，耗盡型MOSFET由于靜態(tài)電流較低，因而所消耗的功率最少。這種方法的主要優(yōu)勢是在啟動序列操作之后的功耗理論值為零，從而提高了整體效率。此外，所占用的PCB面積更小，并可實現(xiàn)寬泛的直流輸入電壓范圍，這對許多應(yīng)用（如太陽能逆變器）是至關(guān)重要的。

圖4：用于SMPS啟動電路的耗盡型MOSFET

2. 線性電壓調(diào)節(jié)器的浪涌保護
線性電壓調(diào)節(jié)器為小型模擬電路、CMOS IC或其他任何需要低電流的負載提供電源，其輸入電壓Vin直接來自母線電壓。這可能出現(xiàn)很大的電壓變化，包括由于應(yīng)用環(huán)境造成的電壓尖峰。如圖5所示，耗盡型MOSFET可用于在線性電壓調(diào)節(jié)器電路中實施浪涌保護。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。耗盡型MOSFET的導(dǎo)通僅僅取決于柵極電壓，而與漏極電壓無關(guān)。這種配置用于減少電壓瞬變，直至達到器件額定電壓VDS耐受能力?；诤谋M型MOSFET解決方案的優(yōu)點是具有寬泛的直流工作電壓范圍Vin，以及借助MOSFET低靜態(tài)電流而實現(xiàn)的最小功耗。這種保護功能可用于通信應(yīng)用，以減少浪涌造成的瞬變影響。也可用于汽車和航空電子應(yīng)用，以減少由電感負載引起的瞬變。

圖5：使用耗盡型MOSFET的浪涌保護電路

3. 恒流源
耗盡型MOSFET可用于實現(xiàn)恒流源，如圖6所示。它根據(jù)電阻R值和柵極截止電壓VGS(off)而向負載提供恒定的電流。因此，電流ID與電壓Vin無關(guān)。這個電流相當(dāng)于IDVGSoffR。這樣的電流源可以在LED陣列驅(qū)動器、涓流充電電路中使用，以維持監(jiān)控系統(tǒng)的電池電量，或者以恒流方式為電容器充電。

圖6：使用耗盡型MOSFET的恒流源

4. 高壓斜坡信號發(fā)生器
自動測試設(shè)備等應(yīng)用需要在輸出電壓和時間之間保持線性關(guān)系的高壓斜坡?？梢耘渲煤谋M型MOSFET來設(shè)計高壓斜坡發(fā)生器，如圖7所示。恒流源通過電阻R1給電容C充電，并產(chǎn)生電壓斜坡，即電容上的Vout?？梢酝ㄟ^控制信號開啟線性MOSFET，以重置斜坡電壓，可通過電阻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7：使用耗盡型MOSFET的高壓斜坡發(fā)生器

5. 高壓保護電路
耗盡型MOSFET可用于保護測量儀器，防止因測量探頭意外連接到高壓Vmeas而造成的破壞性高壓（圖8）。在這種情況下，采用背對背配置的MOSFET S1和S2將通過限制電流來保護儀器。這將對探頭上的正電壓和負電壓提供保護。這種電路可用于臺式或手持式儀器。

圖8：使用耗盡型MOSFET的高壓保護電路

6. 固態(tài)繼電器
如圖9所示，耗盡型MOSFET在實現(xiàn)以固態(tài)繼電器（SSR）取代機械繼電器（EMR）的負載開關(guān)方面表現(xiàn)出色。固態(tài)繼電器的主要優(yōu)點是不受磁場影響，由于沒有機械觸點而具有更高的可靠性，并且節(jié)省了PCB占用空間。醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)自動化、測量和測試設(shè)備以及消費電子等應(yīng)用都廣泛使用固態(tài)繼電器。

圖9：使用耗盡型MOSFET的固態(tài)繼電器

結(jié)論
要求在柵極電壓為零時有電流的應(yīng)用，均可以使用耗盡型MOSFET。盡管這些器件有許多實際應(yīng)用，但幾乎被人們忽略。Littelfuse提供最廣泛的從60V到1700V電壓范圍的產(chǎn)品系列，我們是唯一一家提供大電流耗盡型MOSFET器件的制造商。本文所講述的應(yīng)用，將幫助設(shè)計人員在各種工業(yè)應(yīng)用中選擇使用這些器件以提高效率并增加系統(tǒng)的可靠性。