功率 MOSFET 最常用于開關模式應用中，它們用作開關。然而，在 SMPS 中的啟動電路、浪涌和高壓保護、反極性保護或固態繼電器等應用中，功率 MOSFET 在柵極到源極電壓 VGS 為零。當 VGS=0V 時作為正常“導通”開關工作的功率 MOSFET 被稱為耗盡型 MOSFET。

增強型和耗盡型 MOSFET 的區別

第一個明顯的區別在于增強型 （EM） 和耗盡型 （DM） 器件的電路符號，如圖 1 所示。 EM 器件在 V GS =0V 時沒有導通，導通從柵極到-源閾值電壓V GS（th）。相反，DM 器件的通道在 V GS =0V 時完全導通。對于 EM 器件，當 V GS 》V GS（th）時，漏極電流 I D增加。在 DM 器件的情況下，當 V GS 》0 時電流增加。EM 器件在 V GS處停止傳導GS（th） 而對于 DM 器件，負柵極電壓 V GS降低了電流 I D并且器件在柵極到源極截止電壓 V GS（off）處停止導通。圖 1 說明了兩種 MOSFET 在輸出特性方面的主要區別。

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圖 1. 增強型和耗盡型 MOSFET 的區別。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

在某些應用中，EM 器件無法替代 DM 器件，因為它們不會在零柵極電壓 VGS 下導通。此外，在一些涉及耗盡型 MOSFET 器件的應用中，根本不需要柵極驅動電路，因為柵極會從實現它的電路中獲得偏置。由于耗盡型 MOSFET 的線性模式操作能力，這將節省整體系統成本，同時降低復雜性并提高可靠性。

耗盡型 MOSFET 產品

Littelfuse 耗盡型功率 MOSFET 采用稱為垂直雙擴散 MOSFET （D-MOSFET） 的結構構建。由于其擴展的正向偏置安全工作區 （FBSOA），所有這些器件都可以維持線性模式運行，這使得它們在最終應用中具有高度可靠性 ［1］［2］。Littelfuse 的耗盡型 MOSFET 被稱為耗盡型 D、耗盡型 D2 和耗盡型 CPC 產品系列 ［4］。圖 2 概述了各種耗盡型產品組合。

圖 2. Littelfuse 耗盡型 MOSFET 產品組合。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

與 EM 器件不同，DM 器件不用于高速開關。通常，除了線性 MOSFET ［1］ 之外，EM 器件不具備線性模式操作的能力，而所有 D 和 D2 系列器件都能夠維持線性模式操作，這要歸功于它們的擴展 FBSOA。目前正在開發額定電壓為 2500 V 的高壓耗盡型 MOSFET 產品。高壓 （HV） 測試設備、電源、斜坡發生器、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這種耗盡型 MOSFET。圖 3 顯示了 Littelfuse 耗盡型 MOSFET 在市場上的領先地位。

圖 3. Littelfuse 耗盡型 MOSFET 市場領導地位。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

耗盡型功率 MOSFET 的應用

以下應用特別適用于耗盡型 MOSFET ［3］。

1. 開關電源的啟動電路 - SMPS

SMPS 的傳統啟動電路方法是通過功率電阻器和齊納二極管。在這種方法中，即使在啟動階段之后，功率電阻器也會持續消耗功率。這會導致 PCB 過熱、效率低下以及 SMPS 的輸入電壓工作范圍受限。或者，可以采用基于耗盡型 MOSFET 的方法，如圖 4 所示。耗盡型 MOSFET 提供 PWM IC 啟動運行所需的初始電流。在啟動階段之后，輔助繞組將產生 PWM IC 所需的功率。在正常工作期間，耗盡型 MOSFET 由于其低靜態電流而消耗最少的功率。這種方法的主要優點是理論上在啟動序列后零功耗，從而提高了整體效率。而且，

圖 4. SMPS 啟動電路中的耗盡型 MOSFET。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

2、線性穩壓器的浪涌保護

線性穩壓器為小型模擬電路、CMOS IC 或任何其他需要低電流的負載供電，其中輸入電壓 V in直接來自總線電壓。由于應用程序的環境，這可能會有很大的電壓變化，包括高電壓尖峰。如圖 5 所示，耗盡型 MOSFET 可用于在線性穩壓器電路中實現浪涌保護。MOSFET 以源極跟隨器配置連接。源極上的電壓將跟隨柵極上的電壓。耗盡型 MOSFET 的導通僅取決于其柵極電壓，而與其漏極電壓無關。此配置用于減輕任何電壓瞬變，直至器件額定電壓 V DS的耐受能力。 基于耗盡型 MOSFET 的解決方案的優點是寬 DC 工作電壓范圍 V in以及由于 MOSFET 的低靜態電流而使功耗最小。這種保護的可能用途是在電信電路中以減輕由雷擊引起的瞬變。另一種可能性可能是在汽車和航空電子應用中，以減輕由電感負載引起的瞬態。

圖 5. 使用耗盡型 MOSFET 的浪涌保護電路。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

3.恒流源

如圖 6 所示，耗盡型 MOSFET 可用于實現恒流源。它根據電阻器 R 的值和柵極截止電壓 V GS（off）為負載提供恒定電流。電流I D因此與電壓V in無關。電流等價于 \（I_{D}\approx\frac{V_{GS（off）}}{R}\）。此類電流源可用于 LED 陣列驅動器、涓流充電器電路，以維持監控系統的電池電量，或以恒定速率為電容器充電。

圖 6. 使用耗盡型 MOSFET 的恒流源。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

4. 高壓斜坡發生器

自動測試設備等應用需要輸出電壓和時間之間具有線性關系的高壓斜坡。耗盡型 MOSFET 可配置為設計一個高壓斜坡發生器，如圖 7 所示。恒流源通過電阻器 R1 為電容器 C 充電，并在電容器兩端產生電壓斜坡Vout。線性 MOSFET 可以通過控制信號開啟，以將通過 R2 將電容器放電至零的斜坡電壓復位。電阻器 R2 用于限制線性 MOSFET 的放電電流，使其在其 SOA 額定值內工作。

圖 7. 使用耗盡型 MOSFET 的高壓斜坡發生器。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

5、高壓保護電路

耗盡型 MOSFET 可用于保護測量儀器免受由于測量探頭意外連接到高壓 V meas引起的破壞性高壓（圖 8）。在這種情況下，配置為背靠背配置的 MOSFET S1 和 S2 將通過限制電流來保護儀器。這將保護探頭免受正電壓和負電壓的影響。這種電路的可能用途是在臺式或手持儀器中。

圖 8.使用耗盡型 MOSFET 的高壓保護電路。圖片由 Bodo‘s Power Systems提供

6.固態繼電器

如圖 9 所示，耗盡型 MOSFET 非常適合實現用于負載切換的固態繼電器 （SSR） 來代替機電繼電器 （EMR）。SSR 的重要優點是不受磁場影響，可靠性更高，因為沒有機械觸點，由于消除了觸點顫動，實現了平穩操作，并節省了 PCB 空間。醫療設備、工業自動化、測量和測試設備以及消費類電子產品等應用是 SSR 廣泛使用的示例。

圖 9. 使用耗盡型 MOSFET 的固態繼電器。圖片由 Bodo’s Power Systems提供

結論

只要應用需要零柵極電壓下的電流，就可以使用耗盡型 MOSFET。盡管有許多實際應用，但這些設備幾乎被遺忘了。本文重點介紹的應用將幫助設計人員在各種工業應用中選擇這些器件，從而提高效率并提高系統可靠性。