開關(guān)電源是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個(gè)位準(zhǔn)的電壓，透過(guò)不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的核心部件是功率開關(guān)管，是一個(gè)至關(guān)重要的組件。它負(fù)責(zé)控制電流的導(dǎo)通和截止，實(shí)現(xiàn)電能的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)。

在眾多功率開關(guān)管中，MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）因其優(yōu)異的性能而被廣泛應(yīng)用。本文將詳細(xì)介紹 MOSFET 的工作原理、特性、選型以及在開關(guān)電源中的應(yīng)用。

MOSFET 的工作原理

MOSFET 是一種電壓控制型器件，通過(guò)柵極電壓來(lái)控制漏極和源極之間的電流。它主要由柵極（G）、漏極（D）和源極（S）三個(gè)電極組成，其中柵極與源極之間由一層絕緣層隔開。

當(dāng)柵極電壓為零時(shí)，MOSFET 處于截止?fàn)顟B(tài)，漏極和源極之間沒(méi)有電流流過(guò)。當(dāng)柵極電壓超過(guò)一定閾值時(shí)，絕緣層下方會(huì)形成一個(gè)導(dǎo)電溝道，使得漏極和源極之間導(dǎo)通，電流可以流過(guò) MOSFET。通過(guò)控制柵極電壓的大小，可以調(diào)節(jié)導(dǎo)電溝道的寬度，從而控制漏極電流的大小。

橫向?qū)щ?信號(hào)MOSFET)/垂直導(dǎo)電(功率MOSFET)▲

功率MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與電氣符號(hào)如圖下所示。圖(a)給出的是具有雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)的垂直溝道 MOSFET示意圖，這也是最成功的產(chǎn)品設(shè)計(jì)之一。MOSFET 的電氣符號(hào)如圖(b)所示，其極性有N溝道和P溝道兩種，其中N溝道功率MOSFET應(yīng)用最多、功率 MOSFET的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使其寄生了一個(gè)一極管，稱之為體二極管。這個(gè)二極管具有和MOSFET相同的工作頻率，可以作為高頻整流管來(lái)使用。現(xiàn)今的同步整流技術(shù)就利用了這個(gè)體二極管。正常工作時(shí)、體二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，不影響MOSFET的開/關(guān)操作。

功率 MOSFET是增強(qiáng)型MOSFET，對(duì)于N溝道MOSFET，UGS施加正極性電壓，產(chǎn)生漏極電流;對(duì)于P溝道MOSFET，UGS需要施加負(fù)極性電壓才會(huì)產(chǎn)生極電流。

功率MOSFET屬于電壓控制型半導(dǎo)體元件，當(dāng)UGS施加一定的電壓時(shí)，在源極和漏之間會(huì)形成較大的電流，這就是功率MOSFET的放大效應(yīng)。下面以N溝道功率MSFET為例、介紹其工作原理。

功率 MOSFET屬于電壓控制型半導(dǎo)體元件

功率MOSFET的工作原理與特性曲線如圖下所示。其中圖(a)為工作原理，圖(b)為轉(zhuǎn)移特性曲線，圖(c)為輸出特性曲線。如圖(a)所示，功率MOSFET工作時(shí)，需要施加正極性的UGS和UDS，只要在柵極施加一定的電壓，就會(huì)在漏極產(chǎn)生較大的電流ID。由于MOSFET的輸入阻抗很高，柵極電流極小，因此極電流ID與源極電流IS相等，通常將流過(guò)源極的電流也稱為漏極電流ID，并以此來(lái)計(jì)算電路參數(shù)。

功率MOSFET的柵極對(duì)源極電壓(簡(jiǎn)稱柵-源電壓)UGS與漏極電流ID的關(guān)系曲線圖(b)所示，該曲線稱為MOSFET的轉(zhuǎn)移特性?？梢钥闯?，當(dāng)UGS從(0~UGSth)變時(shí)，漏極電流 ID始終為零、功率MOSFET 處于截止(關(guān)斷)狀態(tài);當(dāng)UGS大于 UGSth以后，隨著UGS的增加漏極電流ID開始迅速增大，功率MOSFET處于導(dǎo)通狀態(tài)。功率UGSth是功率MOSFET導(dǎo)通與關(guān)斷的切換點(diǎn)電壓，該電壓叫做開啟電壓或值電壓。MOSFET的開啟電壓通常在2~4V之間。

功率 MOSFET的輸出特性曲線如圖 (c)所示，圖中描述了柵-源電壓 UGS、漏極電流ID與漏極對(duì)源極電壓(簡(jiǎn)稱漏-源電壓)UDS之間的關(guān)系曲線。輸出特性曲線可分為截止區(qū)、飽和區(qū)和電阻區(qū)三個(gè)區(qū)域。當(dāng)UGS小于開啟電壓UGsth的時(shí)候，MOSFET處于截止區(qū)(關(guān)斷狀態(tài))，此時(shí)漏極電流很小，并且不隨UDS的大小變化，該電流被稱為漏電流，通常用IDSS來(lái)表示。開關(guān)電源的功率開關(guān)管關(guān)斷時(shí)就處于截止區(qū)。在電路分析計(jì)算時(shí)，可以認(rèn)為漏電流為零。

隨著UGS升高，功率MOSFET開始產(chǎn)生更大漏極電流，進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)，如果較大，MOSFET將工作在圖(c)所示飽和區(qū)。在飽和區(qū)的時(shí)候，漏極電流只與UGS大小有關(guān)，而與UDS大小無(wú)關(guān)。也就是說(shuō)，此時(shí)極漏電流ID處于恒定電流狀態(tài)，因此,飽和區(qū)也稱為恒流區(qū)。

功率 MOSFET的飽和區(qū)和雙極型晶體管的放大區(qū)特性基本相同。如圖(c)所示，通常用漏極電流ID的變化量ΔID與柵-源電壓UGS的變化量ΔUGS的比值，來(lái)描述MOSFET的放大能力，稱為正向跨導(dǎo)，常用gfs來(lái)表示。漏極電流ID越大的功率MOSFET，其正向跨導(dǎo)值gfs也越大。

功率MOSFET進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，如果漏-源電壓UDS較低，MOSFET將處于電阻區(qū)如圖(c)所示，該區(qū)域位于UDS=UGS-UGS(th)邊界線的左側(cè)。在該區(qū)域 MOSFET的漏極與源極之間呈現(xiàn)為固定電阻，該電阻被稱為導(dǎo)通電阻，常用RDS(ON)來(lái)表示。如果漏-源電壓UDS為零，則無(wú)論柵-源電壓UGS為多少，漏極電流ID也會(huì)變?yōu)榱?。RDS(ON)的阻值與UGS的大小有關(guān)，因此該區(qū)域也稱為可變電阻區(qū)或歐姆區(qū)。開關(guān)電源的功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)就處在該區(qū)域。因此，即使漏極電流ID很大，也可通過(guò)選擇較低RDS(ON)的功率MOSFET，來(lái)保持較低的導(dǎo)通損耗。

功率MOSFET的使用注意事項(xiàng)

(1)關(guān)于漏極電壓

在開關(guān)電源中，選擇功率MOSFET時(shí)，首先要考慮擊穿電壓。由于MOSFET不存在二次擊穿現(xiàn)象，電壓余量可以選小一些，通常按MOSFET的擊穿電壓UDSS為功率開關(guān)管承受最大電壓的1.2~1.4倍即可。

(2)關(guān)于漏極電流

由于多數(shù)功率MOSFET的最大漏極電流IDM為額定漏極電流ID的3~4倍，因此，電流余量也可以選小一些，通常選擇MOSFET漏極電流ID為功率開關(guān)管的最大極電流的1.5~2倍即可。

需要說(shuō)明:功率MOSFET參數(shù)表中給出的額定漏極電流ID，通常是在其外殼溫度T為25℃時(shí)的參數(shù)值。當(dāng)MOSFET外殼溫度升高的時(shí)候，其額定漏極電流ID將會(huì)下降。圖給出了IRF840的漏極電流和外殼溫度的關(guān)系曲線。可以看出，T為25℃時(shí)，ID為8A;當(dāng)T為75℃時(shí)，ID下降為6A;當(dāng)T為100℃時(shí)，ID下降為5A。這表明當(dāng)功率MOSFET工作在高溫環(huán)境時(shí)，應(yīng)該選擇額定漏極電流ID更大MOSFET，以便滿足高溫時(shí)的漏極工作電流要求。

(3)關(guān)于導(dǎo)通電阻

通常額定漏極電流ID較小的 MOSFET，其導(dǎo)通電阻RDS(ON),較大。在漏極電流較大的時(shí)候，功率開關(guān)管的導(dǎo)通損耗也會(huì)較大，為了降低導(dǎo)通損耗，應(yīng)該選擇導(dǎo)通電阻RDS(ON)較小的功率MOSFET。

此外，導(dǎo)通電阻RDS(ON)還會(huì)隨著漏極電流ID的增加而變大。圖給出了IRF840的導(dǎo)通電阻和漏極電流的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，當(dāng)ID為5A時(shí)，RDS(ON)不到0.7Ω，當(dāng)ID為10A時(shí)，RDS(ON)大約0.8Ω;當(dāng)ID為20A時(shí)、RDS(ON)將達(dá)到1.2Ω 左右。

(4)關(guān)于柵極電壓

前文說(shuō)過(guò)，RDS(ON)的阻值與UGS的大小有關(guān)。但是，當(dāng)UGS大到一定程度(一般為10V以上)，RDS(ON)的阻值基本不再變化。圖也給出了UGS為10V和20V時(shí)RDS(oN)的阻值曲線，可以看出其差異不大。因此，功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的輸出電壓應(yīng)該大于10V，通常選擇為12~15V。

(5)關(guān)于輸入電容

雖然功率MOSFET的輸入阻抗很高，但其柵極G與源極S之間存在較大的輸入電容。根據(jù)生產(chǎn)廠家和制造工藝的不同，輸入電容C的容量差異也較大。為了提高開關(guān)速度，減小驅(qū)動(dòng)電路的負(fù)載，應(yīng)選擇輸入電容C較小的功率MOSFET。

此外，為了提高開關(guān)速度，需要給輸入電容快速的充放電，這就要求驅(qū)動(dòng)電路能夠提供很大的峰值電流，該電流通?？蛇_(dá)1~2A，但持續(xù)時(shí)間通常不到100ns。這也說(shuō)明，雖然功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的功耗很小，但仍然需要輸出很大的峰值電流。

(6)關(guān)于管殼溫度

和雙極型晶體管一樣。當(dāng)功率MOSFET的管殼溫度升高時(shí)，最大允許電流及功耗會(huì)明顯下降。同時(shí)，高溫也會(huì)使導(dǎo)通電阻RDS(ON)的增大，產(chǎn)生更大的導(dǎo)通損耗。因此，許多廠家在其器件參數(shù)表中直接給出了T為100℃時(shí)允許的漏極電流值或者給出了高溫降額曲線。讀者一定要根據(jù)功率開關(guān)管的實(shí)際工作溫度來(lái)修正最大允許漏極電流ID的參數(shù)值。

MOSFET 在開關(guān)電源中的應(yīng)用

MOSFET 在開關(guān)電源中有廣泛的應(yīng)用，主要包括以下幾個(gè)方面：

1. 主開關(guān)管：在正激、反激、半橋、全橋等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源中，MOSFET 作為主開關(guān)管，控制電能的轉(zhuǎn)換。

2. 同步整流管：在一些高效率的開關(guān)電源中，采用同步整流技術(shù)，用 MOSFET 代替二極管作為整流管，以降低整流損耗，提高效率。

3. 輔助開關(guān)管：在一些開關(guān)電源中，需要使用輔助開關(guān)管來(lái)實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、同步整流等功能。

4. 保護(hù)電路：MOSFET 可以用于過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等保護(hù)電路中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，及時(shí)切斷電路，保護(hù)開關(guān)電源和負(fù)載。

MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET 的驅(qū)動(dòng)電路是開關(guān)電源中的重要組成部分，它負(fù)責(zé)將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為合適的柵極電壓，以控制 MOSFET 的導(dǎo)通和截止。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)因素：

1. 驅(qū)動(dòng)能力：驅(qū)動(dòng)電路需要提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，以確保 MOSFET 能夠快速導(dǎo)通和截止。

2. 柵極電：驅(qū)動(dòng)電路需要提供合適的柵極電壓，以保證 MOSFET 能夠可靠地導(dǎo)通和截止。

3. 隔離要求：在一些應(yīng)用中，需要將驅(qū)動(dòng)電路與控制電路進(jìn)行隔離，以提高系統(tǒng)的安全性和可靠性。

4. 保護(hù)功能：驅(qū)動(dòng)電路需要具備過(guò)流保護(hù)、短路保護(hù)等功能，以保護(hù) MOSFET 和驅(qū)動(dòng)電路本身。

結(jié)論

MOSFET 作為開關(guān)電源中的關(guān)鍵組件，其性能直接影響到開關(guān)電源的效率、可靠性和成本。在設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用要求，選擇合適的 MOSFET，并設(shè)計(jì)合理的驅(qū)動(dòng)電路和散熱方案。通過(guò)對(duì) MOSFET 的深入了解和合理應(yīng)用，可以設(shè)計(jì)出高性能、高效率的開關(guān)電源。