耗盡型功率MOSFET強化系統可靠性

功率MOSFET最常用於開關型應用中，發揮著開關的作用。然而，在諸如開關型電源的啟動電路(SMPS)的啟動電路、浪湧和高壓保護、防反接保護或固態繼電器等應用中，當閘極到源極的電壓V_GS為零時，功率MOSFET需要作為常「開」開關運行。在V_GS=0V時作為常 「開 」開關的功率MOSFET，稱為耗盡型(Depletion-mode)MOSFET。

增強型和耗盡型MOSFET之間的區別

增強型和耗盡型MOSFET，第一個主要的區別是增強型(EM)和耗盡型(DM)元件的電路圖示，如圖1所示。EM元件在V_GS=0V時沒有導通，而在達到閘極到源極閾值電壓V_GS(th)開始導通。相反地，DM元件的通道在V_GS=0V時是完全導通的。對於EM元件，當V_GS>V _GS(th)時，漏極電流ID增加。對於DM元件，則當V_GS>0時電流增加；EM元件在V_GS<V _GS(th)時截止。對於DM元件，負的閘極電壓V_GS降低了電流ID，在達到截止電壓V_GS(off)時截止。圖1說明了兩種MOSFET元件在輸出特性方面的主要區別。

在某些應用中，增強型EM元件不能取代耗盡型DM元件，因為它們在零閘極電壓V_GS截止。此外，在一些涉及耗盡型MOSFET元件的應用中，根本不需要使用閘極驅動電路，因為閘極從應用電路中獲得了偏壓。由於耗盡型MOSFET的線性型工作能力，可以節省整體系統成本，同時減低複雜性並提高可靠性。

耗盡型MOSFET產品

產品如Littelfuse耗盡型功率MOSFET，採用垂直雙擴散MOSFET(DMOSFET)的結構。所有這些元件得益於擴充的正向偏置安全工作區(FBSOA)，因此能在線性型下運作，因而在終端應用中具有較高的可靠性。此耗盡型MOSFET有Depletion D、Depletion D2和Depletion CPC產品系列。與EM元件不同，耗盡型(DM)元件並不用於高頻應用。通常，除了線性MOSFET之外，EM元件不能夠工作在線性型。然而，所有D系列和D2系列DM元件均具有擴展的FBSOA，因此能夠維持在線性模式。目前正在開發額定電壓為2,500V的高壓耗盡型MOSFET產品。高壓(HV)測試設備、電源、斜坡訊號發生器、絕緣電阻測試設備或高壓輸電系統的輔助電源等應用，都需要使用這類耗盡型MOSFET元件。

耗盡型功率MOSFET的應用

以下是特別適合耗盡型MOSFET產品的應用。

開關型電源的啟動電路

SMPS傳統啟動電路方法是通過功率電阻和齊納二極體。在這種方法中，即使在啟動階段之後，功率電阻器也會持續消耗功率，這導致PCB上的熱量過高，工作效率低下，以及SMPS輸入工作電壓範圍受到限制。或者，可以採用基於耗盡型MOSFET的方法來替代，如圖2所示。耗盡型MOSFET提供PWM IC所需的初始電流以啟動運作。在啟動階段之後，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由於靜態電流較低，因而所消耗的功率最少。這種方法的主要優勢是在啟動序列操作之後的功耗理論值為零，進而提高了整體效率。此外，所占用的PCB面積更小，並可實現寬泛的直流輸入電壓範圍，這對許多應用(如太陽能逆變器)是極為重要的。

線性電壓調節器的浪湧保護

線性電壓調節器為小型類比電路、CMOS IC或其他任何需要低電流的負載提供電源，其輸入電壓V_in直接來自母線電壓。這可能出現很大的電壓變化，包括由於應用環境造成的電壓尖峰。如圖3所示，耗盡型MOSFET可用於在線性電壓調節器電路中實施浪湧保護。這種MOSFET採用源極跟隨器配置連接。源極上的電壓將跟隨閘極上的電壓變化。耗盡型MOSFET的導通僅僅取決於閘極電壓，而與漏極電壓無關。這種配置用於減少電壓瞬變，直至達到元件額定電壓V_DS耐受能力。基於耗盡型MOSFET解決方案的優點是具有寬泛的直流工作電壓範圍V_in，以及由於MOSFET低靜態電流而實現的最小功耗。這種保護功能可用於通訊應用，以減少浪湧造成的瞬變影響。也可用於汽車和航空電子應用，以減少由電感負載引起的瞬變。

恆流源

耗盡型MOSFET可用於實現恆流源，如圖4所示。它根據電阻R值和閘極截止電壓V_GS(off)而向負載提供恆定的電流。因此，電流ID與電壓V_in無關。這個電流相當於 。這樣的電流源可以在LED陣列驅動器、涓流充電電路中使用，以維持監控系統的電池電量，或者以恆流方式為電容器充電。

高壓斜坡訊號發生器

自動測試設備等應用需要在輸出電壓和時間之間保持線性關係的高壓斜坡。可以配置耗盡型MOSFET來設計高壓斜坡發生器，如圖5所示。恆流源通過電阻R1給電容C充電，並產生電壓斜坡，即電容上的V_out。可以通過控制訊號開啟線性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用於限制線性MOSFET的放電電流，使其在SOA額定範圍內工作。

高壓保護電路

耗盡型MOSFET可用於保護測量儀器，防止因測量探頭意外連接到高壓V_meas而造成的破壞性高壓(圖6)。在這種情況下，採用背對背配置的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。這種電路可用於檯面式或掌上型儀器。

固態繼電器

如圖7所示，耗盡型MOSFET在實現以固態繼電器(SSR)取代機械繼電器(EMR)的負載開關方面表現出色。固態繼電器的主要優點是不受磁場影響，由於沒有機械觸點而具有更高的可靠性，並且節省了PCB占用空間。醫療設備、工業自動化、測量和測試設備以及消費電子等應用都廣泛使用固態繼電器。

耗盡型MOSFET應用多元

要求在閘極電壓為零時有電流的應用，均可以使用耗盡型MOSFET。儘管這些元件有許多實際應用，但幾乎被人們忽略。廠商如Littelfuse提供從60V到1700V電壓範圍的產品系列，提供大電流耗盡型MOSFET元件的製造商。本文中重點介紹的應用，將幫助設計人員在各種工業應用中選擇使用這些元件以提高效率並增加系統的可靠性。

(本文作者皆任職於Littelfuse，Aalok Bhatt為產品工程師；José Padilla為產品總監；José Padilla產品經理)