增强型和耗尽型MOSFET的区别

功率 MOSFET 最常用于开关模式应用中，它们用作开关。然而，在 SMPS 中的启动电路、浪涌和高压保护、反极性保护或固态继电器等应用中，功率 MOSFET 在栅极到源极电压 VGS 为零。当 VGS=0V 时作为正常“导通”开关工作的功率 MOSFET 被称为耗尽型 MOSFET。

增强型和耗尽型 MOSFET 的区别

第一个明显的区别在于增强型 （EM） 和耗尽型 （DM） 器件的电路符号，如图 1 所示。 EM 器件在 V GS =0V 时没有导通，导通从栅极到-源阈值电压V GS（th）。相反，DM 器件的通道在 V GS =0V 时完全导通。对于 EM 器件，当 V GS 》V GS（th）时，漏极电流 I D增加。在 DM 器件的情况下，当 V GS 》0 时电流增加。EM 器件在 V GS处停止传导GS（th） 而对于 DM 器件，负栅极电压 V GS降低了电流 I D并且器件在栅极到源极截止电压 V GS（off）处停止导通。图 1 说明了两种 MOSFET 在输出特性方面的主要区别。

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图 1. 增强型和耗尽型 MOSFET 的区别。图片由 Bodo’s Power Systems提供

在某些应用中，EM 器件无法替代 DM 器件，因为它们不会在零栅极电压 VGS 下导通。此外，在一些涉及耗尽型 MOSFET 器件的应用中，根本不需要栅极驱动电路，因为栅极会从实现它的电路中获得偏置。由于耗尽型 MOSFET 的线性模式操作能力，这将节省整体系统成本，同时降低复杂性并提高可靠性。

耗尽型 MOSFET 产品

Littelfuse 耗尽型功率 MOSFET 采用称为垂直双扩散 MOSFET （D-MOSFET） 的结构构建。由于其扩展的正向偏置安全工作区 （FBSOA），所有这些器件都可以维持线性模式运行，这使得它们在最终应用中具有高度可靠性 ［1］［2］。Littelfuse 的耗尽型 MOSFET 被称为耗尽型 D、耗尽型 D2 和耗尽型 CPC 产品系列 ［4］。图 2 概述了各种耗尽型产品组合。

图 2. Littelfuse 耗尽型 MOSFET 产品组合。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

与 EM 器件不同，DM 器件不用于高速开关。通常，除了线性 MOSFET ［1］ 之外，EM 器件不具备线性模式操作的能力，而所有 D 和 D2 系列器件都能够维持线性模式操作，这要归功于它们的扩展 FBSOA。目前正在开发额定电压为 2500 V 的高压耗尽型 MOSFET 产品。高压 （HV） 测试设备、电源、斜坡发生器、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这种耗尽型 MOSFET。图 3 显示了 Littelfuse 耗尽型 MOSFET 在市场上的领先地位。

图 3. Littelfuse 耗尽型 MOSFET 市场领导地位。图片由 Bodo’s Power Systems提供

耗尽型功率 MOSFET 的应用

以下应用特别适用于耗尽型 MOSFET ［3］。

1. 开关电源的启动电路 - SMPS

SMPS 的传统启动电路方法是通过功率电阻器和齐纳二极管。在这种方法中，即使在启动阶段之后，功率电阻器也会持续消耗功率。这会导致 PCB 过热、效率低下以及 SMPS 的输入电压工作范围受限。或者，可以采用基于耗尽型 MOSFET 的方法，如图 4 所示。耗尽型 MOSFET 提供 PWM IC 启动运行所需的初始电流。在启动阶段之后，辅助绕组将产生 PWM IC 所需的功率。在正常工作期间，耗尽型 MOSFET 由于其低静态电流而消耗最少的功率。这种方法的主要优点是理论上在启动序列后零功耗，从而提高了整体效率。而且，

图 4. SMPS 启动电路中的耗尽型 MOSFET。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

2、线性稳压器的浪涌保护

线性稳压器为小型模拟电路、CMOS IC 或任何其他需要低电流的负载供电，其中输入电压 V in直接来自总线电压。由于应用程序的环境，这可能会有很大的电压变化，包括高电压尖峰。如图 5 所示，耗尽型 MOSFET 可用于在线性稳压器电路中实现浪涌保护。MOSFET 以源极跟随器配置连接。源极上的电压将跟随栅极上的电压。耗尽型 MOSFET 的导通仅取决于其栅极电压，而与其漏极电压无关。此配置用于减轻任何电压瞬变，直至器件额定电压 V DS的耐受能力。 基于耗尽型 MOSFET 的解决方案的优点是宽 DC 工作电压范围 V in以及由于 MOSFET 的低静态电流而使功耗最小。这种保护的可能用途是在电信电路中以减轻由雷击引起的瞬变。另一种可能性可能是在汽车和航空电子应用中，以减轻由电感负载引起的瞬态。

图 5. 使用耗尽型 MOSFET 的浪涌保护电路。图片由 Bodo’s Power Systems提供

3.恒流源

如图 6 所示，耗尽型 MOSFET 可用于实现恒流源。它根据电阻器 R 的值和栅极截止电压 V GS（off）为负载提供恒定电流。电流I D因此与电压V in无关。电流等价于 \（I_{D}\approx\frac{V_{GS（off）}}{R}\）。此类电流源可用于 LED 阵列驱动器、涓流充电器电路，以维持监控系统的电池电量，或以恒定速率为电容器充电。

图 6. 使用耗尽型 MOSFET 的恒流源。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

4. 高压斜坡发生器

自动测试设备等应用需要输出电压和时间之间具有线性关系的高压斜坡。耗尽型 MOSFET 可配置为设计一个高压斜坡发生器，如图 7 所示。恒流源通过电阻器 R1 为电容器 C 充电，并在电容器两端产生电压斜坡Vout。线性 MOSFET 可以通过控制信号开启，以将通过 R2 将电容器放电至零的斜坡电压复位。电阻器 R2 用于限制线性 MOSFET 的放电电流，使其在其 SOA 额定值内工作。

图 7. 使用耗尽型 MOSFET 的高压斜坡发生器。图片由 Bodo’s Power Systems提供

5、高压保护电路

耗尽型 MOSFET 可用于保护测量仪器免受由于测量探头意外连接到高压 V meas引起的破坏性高压（图 8）。在这种情况下，配置为背靠背配置的 MOSFET S1 和 S2 将通过限制电流来保护仪器。这将保护探头免受正电压和负电压的影响。这种电路的可能用途是在台式或手持仪器中。

图 8.使用耗尽型 MOSFET 的高压保护电路。图片由 Bodo‘s Power Systems提供

6.固态继电器

如图 9 所示，耗尽型 MOSFET 非常适合实现用于负载切换的固态继电器 （SSR） 来代替机电继电器 （EMR）。SSR 的重要优点是不受磁场影响，可靠性更高，因为没有机械触点，由于消除了触点颤动，实现了平稳操作，并节省了 PCB 空间。医疗设备、工业自动化、测量和测试设备以及消费类电子产品等应用是 SSR 广泛使用的示例。

图 9. 使用耗尽型 MOSFET 的固态继电器。图片由 Bodo’s Power Systems提供

结论

只要应用需要零栅极电压下的电流，就可以使用耗尽型 MOSFET。尽管有许多实际应用，但这些设备几乎被遗忘了。本文重点介绍的应用将帮助设计人员在各种工业应用中选择这些器件，从而提高效率并提高系统可靠性。　

      审核编辑：彭静