耗尽型功率MOSFET：被忽略的MOS产品

作者：Littelfuse公司产品工程师Aalok Bhatt；产品总监José Padilla；产品经理Raymon Zhou

功率MOSFET最常用于开关型应用中，发挥着开关的作用。然而，在诸如SMPS的启动电路、浪涌和高压保护、防反接保护或固态继电器等应用中，当栅极到源极的电压VGS为零时，功率MOSFET需要作为常“开”开关运行。在VGS=0V时作为常 "开 "开关的功率MOSFET，称为耗尽型(depletion-mode ) MOSFET。

增强型和耗尽型MOSFET之间的区别

第一个主要的区别是增强型（EM）和耗尽型（DM）器件的电路图示，如图1所示。EM器件在VGS=0V时没有导通，而在达到栅极到源极阈值电压VGS(th)开始导通。相反地，DM器件的通道在VGS=0V时是完全导通的。对于EM器件，当VGS>VGS(th)时，漏极电流ID增加。对于DM器件，则当VGS>0时电流增加；EM器件在VGS

图1：增强型和耗尽型MOSFET之间的区别

在某些应用中，增强型EM器件不能取代耗尽型DM器件，因为它们在零栅极电压VGS截止。此外，在一些涉及耗尽型MOSFET器件的应用中，根本不需要使用栅极驱动电路，因为栅极从应用电路中获得了偏压。借助耗尽型MOSFET的线性型工作能力，可以节省整体系统成本，同时减低复杂性并提高可靠性。

耗尽型MOSFET产品

Littelfuse耗尽型功率MOSFET采用垂直双扩散MOSFET（DMOSFET）的结构。所有这些器件都能工作在线性型下，这要归功于扩展的正向偏置安全工作区（FBSOA），因而在终端应用中具有较高的可靠性[1][2]。Littelfuse耗尽型MOSFET有Depletion D、Depletion D2和Depletion CPC产品系列[4]，图2概述多样化的耗尽型(DM)产品组合。

图2：Littelfuse耗尽型MOSFET产品组合

与EM器件不同，DM器件并不用于高频应用。通常，除了线性MOSFET之外，EM器件不能够工作在线性型[1]；然而，所有D系列和D2系列DM器件均具有扩展的FBSOA，因此能够工作在线性型。目前正在开发额定电压为2500V的高压耗尽型MOSFET产品。高压（HV）测试设备、电源、斜坡信号发生器、绝缘电阻测试设备或高压输电系统的辅助电源等应用，都需要使用这类耗尽型MOSFET器件。图3说明Littelfuse耗尽型MOSFET在市场上占据领导地位。

图3：Littelfuse耗尽型MOSFET具有市场领导地位

耗尽型功率MOSFET的应用

以下是独特适合耗尽型MOSFET产品的应用[3]。

1. 开关型电源的启动电路 - SMPS

SMPS传统启动电路方法是通过功率电阻和齐纳二极管。在这种方法中，即使在启动阶段之后，功率电阻也会持续消耗功率，这导致PCB上的热量过高，工作效率低下，以及SMPS输入工作电压范围受到限制。可以采用基于耗尽型MOSFET的方法来替代，如图4所示。耗尽型MOSFET提供PWM IC所需的初始电流以启动运作。在启动阶段之后，辅助绕组将生成PWM IC所需的功率。在正常运行期间，耗尽型MOSFET由于静态电流较低，因而所消耗的功率最少。这种方法的主要优势是在启动序列操作之后的功耗理论值为零，从而提高了整体效率。此外，所占用的PCB面积更小，并可实现宽泛的直流输入电压范围，这对许多应用（如太阳能逆变器）是至关重要的。

图4：用于SMPS启动电路的耗尽型MOSFET

2. 线性电压调节器的浪涌保护

线性电压调节器为小型模拟电路、CMOS IC或其他任何需要低电流的负载提供电源，其输入电压Vin直接来自母线电压。这可能出现很大的电压变化，包括由于应用环境造成的电压尖峰。如图5所示，耗尽型MOSFET可用于在线性电压调节器电路中实施浪涌保护。这种MOSFET采用源极跟随器配置连接。源极上的电压将跟随栅极上的电压变化。耗尽型MOSFET的导通仅仅取决于栅极电压，而与漏极电压无关。这种配置用于减少电压瞬变，直至达到器件额定电压VDS耐受能力。基于耗尽型MOSFET解决方案的优点是具有宽泛的直流工作电压范围Vin，以及借助MOSFET低静态电流而实现的最小功耗。这种保护功能可用于通信应用，以减少浪涌造成的瞬变影响。也可用于汽车和航空电子应用，以减少由电感负载引起的瞬变。

图5：使用耗尽型MOSFET的浪涌保护电路

3. 恒流源

耗尽型MOSFET可用于实现恒流源，如图6所示。它根据电阻R值和栅极截止电压VGS(off)而向负载提供恒定的电流。因此，电流ID与电压Vin无关。这个电流相当于IDVGSoffR。这样的电流源可以在LED阵列驱动器、涓流充电电路中使用，以维持监控系统的电池电量，或者以恒流方式为电容器充电。

图6：使用耗尽型MOSFET的恒流源

4. 高压斜坡信号发生器

自动测试设备等应用需要在输出电压和时间之间保持线性关系的高压斜坡。可以配置耗尽型MOSFET来设计高压斜坡发生器，如图7所示。恒流源通过电阻R1给电容C充电，并产生电压斜坡，即电容上的Vout。可以通过控制信号开启线性MOSFET，以重置斜坡电压，可通过电阻R2将电容器放电至零。电阻R2用于限制线性MOSFET的放电电流，使其在SOA额定范围内工作。

图7：使用耗尽型MOSFET的高压斜坡发生器

5. 高压保护电路

耗尽型MOSFET可用于保护测量仪器，防止因测量探头意外连接到高压Vmeas而造成的破坏性高压（图8）。在这种情况下，采用背对背配置的MOSFET S1和S2将通过限制电流来保护仪器。这将对探头上的正电压和负电压提供保护。这种电路可用于台式或手持式仪器。

图8：使用耗尽型MOSFET的高压保护电路

6. 固态继电器

如图9所示，耗尽型MOSFET在实现以固态继电器（SSR）取代机械继电器（EMR）的负载开关方面表现出色。固态继电器的主要优点是不受磁场影响，由于没有机械触点而具有更高的可靠性，并且节省了PCB占用空间。医疗设备、工业自动化、测量和测试设备以及消费电子等应用都广泛使用固态继电器。

图9：使用耗尽型MOSFET的固态继电器

结论

要求在栅极电压为零时有电流的应用，均可以使用耗尽型MOSFET。尽管这些器件有许多实际应用，但几乎被人们忽略。Littelfuse提供最广泛的从60V到1700V电压范围的产品系列，我们是唯一一家提供大电流耗尽型MOSFET器件的制造商。本文所讲述的应用，将帮助设计人员在各种工业应用中选择使用这些器件以提高效率并增加系统的可靠性。