【技术】解析N沟道耗尽型功率MOSFET及其应用优势

电子设备中的启动、稳压，电力系统中的恒流源、固态继电器和高压直流线路等应用均需要使用N沟道耗尽型功率 MOSFET。在电路中，当栅极-源极电压为零时（V_GS＝0V），MOSFET作为常开开关工作。本文将介绍目前行业最新的N沟道耗尽型功率MOSFET及其应用优势，同时与应用工程师共同探讨关于Depletion-Mode MOSFET在不同应用环境中的选型问题。

图1给出了N沟道耗尽型MOSFET的电路符号，其电极分别为G（栅极）、S（源极）、D（漏极）。耗尽型MOSFET主要采用垂直双扩散MOSFET结构（DMOSFET），与其它结构类型（如高VDSX、高电流和高正向偏置安全工作区（FBSOA））相比，垂直双扩散MOSFET结构具有更好的性能特性。

图2是以成都方舟微电子研发生产的耗尽型MOSFET（DMZ1511E）为例，列举了其典型的输出特性曲线，即Depletion-Mode MOSFET的漏极电流ID和漏-源极电压VDS的关系。可以看出，除了它的电流曲线包括了在V_GS=-1V、V_GS=-0.5V、V_GS=0V等条件下测试的曲线以外，整体上与N沟道增强型功率MOSFET的输出特性曲线较为类似。

导通状态下的漏极电流IDSS是产品数据手册中定义的一个参数，该参数表征的是当MOSFET的栅极-源极电压（V_GS）为零（或短路）时，在特定的漏-源极电压（V_DS）下流过漏-源极的电流大小。给栅极-源极施加正电压（V_GS>0），可增加器件电流传导水平;给栅极-源极施加负电压（V_GS<0），将降低器件电流传导水平。V_GS(OFF)参数通常被称为器件的栅极-源极截止电压或阈值电压，我们从DMZ1511E的数据手册中可知，DMZ1511E的V_GS(OFF)参数范围为：-3.3V ≤V_GS(OFF)≤-1.5V，即在V_GS<-3.3V时，DMZ1511E停止传导漏极电流。若要使器件正常导通，则应关闭栅极-源极电压;若要使器件完全关断，则应施加比截止电压（V_GS(OFF)）更高的反向VGS电压。理论上，MOSFET导通状态下的漏极电流I_D(ON)可以定义为：

需要注意，等式(1)是一个理论计算公式，在大多数情况下，它并不能计算出漏极电流的精确值。以ARK公司研发的DMZ1511E为例，其V_GS(OFF)的范围为-3.3V~-1.5V，它的I_D(ON)取决于实际施加的VGS电压值和温度。

ARK公司研发的N沟道耗尽型MOSFET（N-Channel Depletion-Mode MOSFET）产品列表如表1所示。该表显示了器件的四个主要参数：漏极到源极击穿电压（BVDSX）、导通状态最小饱和漏极电流（IDSS）、栅极-源极截止电压（V_GS(OFF)）范围、导通电阻(RDS(ON))以及对应的标准封装形式（如SOT-23、SOT89或SOT-223）。

表1：ARK公司部分典型Depletion-Mode MOSFET 参数表

耗尽型MOSFET选型

耗尽型MOSFET在需要使用常开开关的应用中发挥作用，基于此，主要选型标准如下：

1. BV_DSX：漏极到源极的击穿电压，应选择能满足电路可靠运行且留有安全裕量的击穿电压BV_DSX。正常工作时施加在漏-源极两端的电压必须低于器件标称的漏-源极击穿电压，同时应留有一定的裕量，以适应正常的电压波动以及由于瞬态浪涌或干扰引起的各种电压尖峰。 

2. I_DSS：导通状态最小的漏极-源极饱和电流标称值。I_DSS是在栅极-源极电压为零时(V_GS=0V)，在特定的漏极-源极电压（V_DS）下通过的漏极电流，表示的是可以在漏极 -源极之间通过的最大电流。选型时应确保在正常工作状态下，流过MOSFET的实际漏源极电流必须低于器件标称的导通状态最小漏-源极饱和电流（I_DSS）。

3. V_GS(OFF)：栅极-源极截止电压。N沟道耗尽型MOSFET具有负值的沟道截止电压，该参数被定义为V_GS(OFF)，当栅极-源极电压（V_GS）反向增加，漏极电流将逐渐减小，直到施加的栅极-源极电压等于器件的截止电压时，MOSFET停止导通。应根据栅极-源极电压的实际工作范围，选择合适的栅极-源极截止电压（或阈值电压）V_GS(OFF)的大小。

应用 

3.1电流源(1)

图3显示了一个非常精确的给负载RL1供电的电流源电路。TL431是一颗可编程电压参考IC，电阻RS 两端的反馈电压被控制为2.5V，电路可以在低于DMX4022最小饱和电流I_DSS的任意电流水平下作为电流源运行。需要注意的是，当输入电压为200V时，DMX4022E的功耗约为1W。

理论上电阻RS由下式给出：

以图3中参数为例，有：

注意，公式(2)是一个理论公式，可能无法准确计算出RS的实际阻值。在大多数情况下，使用电位计来设置所需的电流水平会更加方便。

3.2电流源(2)

图4显示了一个包括电压参考IC和耗尽型MOSFET（Q1）的电流源示例电路，该电路对电源电压波动进行了补偿。电流源向负载提供总电流，包括通过电阻器RSET的设定电流和IC静态电流IQ。该电路可以提供精确的电流，同时具有超高的输出阻抗。

3.3NMOS逆变器电路

图5显示了一个使用耗尽型MOSFET作为负载的NMOS反相器电路。耗尽型MOSFET（Q1）作为增强型MOSFET（Q2）的负载，增强型MOSFET（Q2）作为电路开关。 

3.4离线开关模式电源

工业和消费电子产品中的许多应用都需要离线开关模式电源，其工作电压范围在110V AC至260V AC之间。图 6 显示了一个使用耗尽型MOSFET(Q1)，通过Q1的源极向IC(U1)提供初始供电来启动离线操作的电路。

Q1从输出端（+VO）获得初始功率。通过R3和R4设置一个工作点，以从Q1处获得所需的最小电流。齐纳二极管DZ1将IC（U1）的VCC电压限制在+15V。启动后，升压电感器L1的次级绕组通过D1、D2和C3为IC提供电源电压，通过D3和R1为Q3的基极提供足够的电流，Q3导通并将Q1的栅极接地。

3.5电压斜坡发生器

如高电压扫描电路和自动测试设备等应用，需要输出电压和时间之间具有高电压斜坡的线性关系。图7所示的电路即为一个利用耗尽型MOSFET来设计电压斜坡发生器的电路。

Q1被配置为对电容器C1充电的恒流源；R1提供负反馈以调节和设置期望的电流值。恒流源对电容器C1充电，并在电容器两端产生斜坡电压V_OUT。Q2可以用TTL或CMOS控制信号打开，通过R2对电容器C1进行放电至V_OUT=0V，来重置斜坡电压。电阻器R2用于限制放电电流，以使Q2在其SOA额定值范围内工作。

假设斜坡电压：

电容器C1的值应该尽量小，以减少能量的过度充电和放电，但是还得足够的容值以使输出负载和杂散电容不会引入显著的误差。因此C1选择为1nF。

充电电流定义为：

对100μA电流源，R1的值可以近似为：

这里有：

假设Q2的开关频率是swf=200Hz，那么放电时间为：

输出电容器C1的功率损耗为：

使用公式（4）：

电容放电时间：

使用公式(5):

3.6线性电压调节器

许多应用都要求线性电压调节器在高输入电压下（120V AC～240V AC 的宽电压范围输入）工作，其最大峰值电压为+/-340V。CMOS IC和小型模拟电路等应用需要5V至15V的直流电源供电，并要求该电源可提供快速高压瞬态浪涌保护，且静态电流较低。图8显示了一个使用耗尽型MOSFET的高压离线线性电压调节器电路，其可以满足上述瞬态浪涌保护和低静态电流的要求。

电信电路中会因为雷电和寄生辐射而产生高压瞬变，汽车和航空电子电路中也会因为感应负载而产生高压瞬态。在这些线性稳压器中，需要低静态电流以使功耗最小化。

HV_IN计算：

求解V_GS：

在这里：

3.7电流监测电路

图9所示是一个使用了运算放大器和耗尽型MOSFET的简单电流监控电路。R1用于检测负载电流，MOSFET（Q1）提供与被检测电流成比例的输出电压。

输出电流计算公式如下：

应选用仅有 0.1%的误差且具有适当的额定功率的电阻。

例如：

使用公式(7)计算：

3.8常闭固态继电器

耗尽型FET可用于创建使用了IXYS IC Division的光驱动器FDA217的常闭固态继电器。图10显示了将两个外置CPC3980耗尽型FET背靠背配置以形成AC/DC开关的典型连接方式。FDA217具有内部关断电路，因此不需要外部泄放电阻器。