耗尽型功率MOSFET的特性

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

耗尽型MOSFET是甚么？

在开关型应用中，功率MOSFET通常作为开关使用。然而，在VGS=0V时作为常 "开 "开关的功率MOSFET，称为耗尽型(depletion-mode ) MOSFET，通常用于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，耗尽型MOSFET需要作为常“开”开关运行。

耗尽型MOSFET的特性

图1是耗尽型器件的电路图示。 耗尽型器件的通道在VGS=0V时是完全导通的，当VGS>0时电流增加。负的栅极电压VGS降低了电流ID，在达到截止电压VGS(off)时截止。图1说明了两种MOSFET器件在输出特性方面的主要区别。

 图1：耗尽型MOSFET的特性

在某些应用中，增强型MOSFET器件在零栅极电压VGS截止，未能满足应用所需，因此必须使用耗尽型MOSFET。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，而且栅极从应用电路中获得了偏压，因此可以节省栅极驱动电路。

耗尽型MOSFET产品

Littelfuse耗尽型MOSFET有Depletion D、Depletion D2和Depletion CPC产品系列（图2），它们采用垂直双扩散MOSFET（DMOSFET）结构，具有扩展的正向偏置安全工作区（FBSOA），能在线性型下工作，因而具有高可靠性。是多样化的耗尽型产品组合。

图2：Littelfuse耗尽型MOSFET产品组合

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。目前Littelfuse正在开发额定电压为2500V的高压耗尽型MOSFET产品。

耗尽型功率MOSFET的应用

高压保护电路

在台式或手持式仪器中，耗尽型MOSFET可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3）。背对背配置的MOSFET S1和S2将通过限制电流来保护仪器，保护探头上的正电压和负电压。

 图3：高压保护电路

固态继电器

耗尽型MOSFET能够以固态继电器（SSR）取代机械继电器（EMR）的负载开关，如图4所示。固态继电器没有机械触点而具有高可靠性，并且节省PCB占用空间，也不受磁场影响，广泛用于医疗设备、工业自动化、测量和测试设备以及消费电子等应用。

 图4：固态继电器

恒流源

LED阵列驱动器、维持监控系统的电池电量的涓流充电电路、以恒流方式为电容器充电的恒流源也可以使用耗尽型MOSFET实现，如图5所示。耗尽型MOSFET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ID≈VGS(off)R。

 图5：恒流源

SMPS –开关型电源的启动电路

SMPS传统启动电路通过功率电阻和齐纳二极管，但功率电阻在启动阶段之后也会持续消耗功率，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。耗尽型MOSFET可以替代这种传统方法，如图6所示。耗尽型MOSFET提供初始电流以启动运作，然后辅助绕组将生成PWM IC所需的功率。耗尽型MOSFET由于静态电流较低，在运行期间消耗功率最少，从而提高了整体效率。此外，使用耗尽型MOSFET只需更小的PCB面积，并可实现宽泛的直流输入电压范围，特别适合太阳能逆变器和许多不同应用。

 图6： SMPS启动电路

线性电压调节器的浪涌保护

线性电压调节器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，也为CMOS IC、小型模拟电路或其他需要低电流的负载提供电源。线性电压调节器的输入电压Vin直接来自母线电压，电压变化可能很大，包括应用环境的电压尖峰。耗尽型MOSFET可用于在线性电压调节器电路中实施浪涌保护，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，如图7所示。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。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。

 图7：浪涌保护电路

高压斜坡信号发生器

耗尽型MOSFET可用于高压斜坡发生器，用于自动测试设备，这些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，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8：高压斜坡发生器

结论

Littelfuse提供从60V到1700V电压范围的广泛耗尽型MOSFET系列，可用于要求在栅极电压为零时有电流的应用，帮助提高效率并增加系统的可靠性。