江西萨瑞微电子：入门开关电源必备：功率开关管指南

　　开关电源是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种。其功能是将一个位准的电压，透过不同形式的架构转换为用户端所需求的电压或电流。开关电源的核心部件是功率开关管，是一个至关重要的组件。它负责控制电流的导通和截止，实现电能的转换和调节。

　　在众多功率开关管中，MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)因其优异的性能而被广泛应用。本文将详细介绍 MOSFET 的工作原理、特性、选型以及在开关电源中的应用。

　　MOSFET的工作原理

　　MOSFET 是一种电压控制型器件，通过栅极电压来控制漏极和源极之间的电流。它主要由栅极(G)、漏极(D)和源极(S)三个电极组成，其中栅极与源极之间由一层绝缘层隔开。

　　当栅极电压为零时，MOSFET 处于截止状态，漏极和源极之间没有电流流过。当栅极电压超过一定阈值时，绝缘层下方会形成一个导电沟道，使得漏极和源极之间导通，电流可以流过 MOSFET。通过控制栅极电压的大小，可以调节导电沟道的宽度，从而控制漏极电流的大小。

　　功率MOSFET的内部结构与电气符号如图下所示。图(a)给出的是具有双扩散结构的垂直沟道 MOSFET示意图，这也是最成功的产品设计之一。MOSFET 的电气符号如图(b)所示，其极性有N沟道和P沟道两种，其中N沟道功率MOSFET应用最多、功率 MOSFET的内部结构使其寄生了一个一极管，称之为体二极管。这个二极管具有和MOSFET相同的工作频率，可以作为高频整流管来使用。现今的同步整流技术就利用了这个体二极管。正常工作时、体二极管处于反向截止状态，不影响MOSFET的开/关操作。

　　功率 MOSFET是增强型MOSFET，对于N沟道MOSFET，UGS施加正极性电压，产生漏极电流;对于P沟道MOSFET，UGS需要施加负极性电压才会产生极电流。

　　功率MOSFET属于电压控制型半导体元件，当UGS施加一定的电压时，在源极和漏之间会形成较大的电流，这就是功率MOSFET的放大效应。下面以N沟道功率MSFET为例、介绍其工作原理。

　　功率 MOSFET属于电压控制型半导体元件

　　功率MOSFET的工作原理与特性曲线如图下所示。其中图(a)为工作原理，图(b)为转移特性曲线，图(c)为输出特性曲线。如图(a)所示，功率MOSFET工作时，需要施加正极性的UGS和UDS，只要在栅极施加一定的电压，就会在漏极产生较大的电流ID。由于MOSFET的输入阻抗很高，栅极电流极小，因此极电流ID与源极电流IS相等，通常将流过源极的电流也称为漏极电流ID，并以此来计算电路参数。

　　功率MOSFET的栅极对源极电压(简称栅-源电压)UGS与漏极电流ID的关系曲线图(b)所示，该曲线称为MOSFET的转移特性。可以看出，当UGS从(0~UGSth)变时，漏极电流 ID始终为零、功率MOSFET 处于截止(关断)状态;当UGS大于 UGSth以后，随着UGS的增加漏极电流ID开始迅速增大，功率MOSFET处于导通状态。功率UGSth是功率MOSFET导通与关断的切换点电压，该电压叫做开启电压或值电压。MOSFET的开启电压通常在2~4V之间。

　　功率 MOSFET的输出特性曲线如图 (c)所示，图中描述了栅-源电压 UGS、漏极电流ID与漏极对源极电压(简称漏-源电压)UDS之间的关系曲线。输出特性曲线可分为截止区、饱和区和电阻区三个区域。当UGS小于开启电压UGsth的时候，MOSFET处于截止区(关断状态)，此时漏极电流很小，并且不随UDS的大小变化，该电流被称为漏电流，通常用IDSS来表示。开关电源的功率开关管关断时就处于截止区。在电路分析计算时，可以认为漏电流为零。

　　随着UGS升高，功率MOSFET开始产生更大漏极电流，进入导通状态。此时，如果较大，MOSFET将工作在图(c)所示饱和区。在饱和区的时候，漏极电流只与UGS大小有关，而与UDS大小无关。也就是说，此时极漏电流ID处于恒定电流状态，因此,饱和区也称为恒流区。

　　功率 MOSFET的饱和区和双极型晶体管的放大区特性基本相同。如图(c)所示，通常用漏极电流ID的变化量ΔID与栅-源电压UGS的变化量ΔUGS的比值，来描述MOSFET的放大能力，称为正向跨导，常用gfs来表示。漏极电流ID越大的功率MOSFET，其正向跨导值gfs也越大。

　　功率MOSFET进入导通状态时，如果漏-源电压UDS较低，MOSFET将处于电阻区如图(c)所示，该区域位于UDS=UGS-UGS(th)边界线的左侧。在该区域 MOSFET的漏极与源极之间呈现为固定电阻，该电阻被称为导通电阻，常用RDS(ON)来表示。如果漏-源电压UDS为零，则无论栅-源电压UGS为多少，漏极电流ID也会变为零。RDS(ON)的阻值与UGS的大小有关，因此该区域也称为可变电阻区或欧姆区。开关电源的功率开关管导通时就处在该区域。因此，即使漏极电流ID很大，也可通过选择较低RDS(ON)的功率MOSFET，来保持较低的导通损耗。

　　功率MOSFET的使用注意事项

　　(1)关于漏极电压

　　在开关电源中，选择功率MOSFET时，首先要考虑击穿电压。由于MOSFET不存在二次击穿现象，电压余量可以选小一些，通常按MOSFET的击穿电压UDSS为功率开关管承受最大电压的1.2~1.4倍即可。

　　(2)关于漏极电流

　　由于多数功率MOSFET的最大漏极电流IDM为额定漏极电流ID的3~4倍，因此，电流余量也可以选小一些，通常选择MOSFET漏极电流ID为功率开关管的最大极电流的1.5~2倍即可。

　　需要说明:功率MOSFET参数表中给出的额定漏极电流ID，通常是在其外壳温度T为25℃时的参数值。当MOSFET外壳温度升高的时候，其额定漏极电流ID将会下降。图给出了IRF840的漏极电流和外壳温度的关系曲线。可以看出，T为25℃时，ID为8A;当T为75℃时，ID下降为6A;当T为100℃时，ID下降为5A。这表明当功率MOSFET工作在高温环境时，应该选择额定漏极电流ID更大MOSFET，以便满足高温时的漏极工作电流要求。

　　(3)关于导通电阻

　　通常额定漏极电流ID较小的 MOSFET，其导通电阻RDS(ON),较大。在漏极电流较大的时候，功率开关管的导通损耗也会较大，为了降低导通损耗，应该选择导通电阻RDS(ON)较小的功率MOSFET。

　　此外，导通电阻RDS(ON)还会随着漏极电流ID的增加而变大。图给出了IRF840的导通电阻和漏极电流的关系曲线。可以看出，当ID为5A时，RDS(ON)不到0.7Ω，当ID为10A时，RDS(ON)大约0.8Ω;当ID为20A时、RDS(ON)将达到1.2Ω 左右。

　　(4)关于栅极电压

　　前文说过，RDS(ON)的阻值与UGS的大小有关。但是，当UGS大到一定程度(一般为10V以上)，RDS(ON)的阻值基本不再变化。图也给出了UGS为10V和20V时RDS(oN)的阻值曲线，可以看出其差异不大。因此，功率MOSFET驱动电路的输出电压应该大于10V，通常选择为12~15V。

　　(5)关于输入电容

　　虽然功率MOSFET的输入阻抗很高，但其栅极G与源极S之间存在较大的输入电容。根据生产厂家和制造工艺的不同，输入电容C的容量差异也较大。为了提高开关速度，减小驱动电路的负载，应选择输入电容C较小的功率MOSFET。

　　此外，为了提高开关速度，需要给输入电容快速的充放电，这就要求驱动电路能够提供很大的峰值电流，该电流通常可达1~2A，但持续时间通常不到100ns。这也说明，虽然功率MOSFET驱动电路的功耗很小，但仍然需要输出很大的峰值电流。

　　(6)关于管壳温度

　　和双极型晶体管一样。当功率MOSFET的管壳温度升高时，最大允许电流及功耗会明显下降。同时，高温也会使导通电阻RDS(ON)的增大，产生更大的导通损耗。因此，许多厂家在其器件参数表中直接给出了T为100℃时允许的漏极电流值或者给出了高温降额曲线。读者一定要根据功率开关管的实际工作温度来修正最大允许漏极电流ID的参数值。

　　MOSFET 在开关电源中的应用

　　MOSFET 在开关电源中有广泛的应用，主要包括以下几个方面：

　　1. 主开关管：在正激、反激、半桥、全桥等拓扑结构的开关电源中，MOSFET 作为主开关管，控制电能的转换。

　　2. 同步整流管：在一些高效率的开关电源中，采用同步整流技术，用 MOSFET 代替二极管作为整流管，以降低整流损耗，提高效率。

　　3. 辅助开关管：在一些开关电源中，需要使用辅助开关管来实现软开关、同步整流等功能。

　　4. 保护电路：MOSFET 可以用于过流保护、过压保护等保护电路中，当出现异常情况时，及时切断电路，保护开关电源和负载。

　　MOSFET 的驱动电路

　　MOSFET 的驱动电路是开关电源中的重要组成部分，它负责将控制信号转换为合适的栅极电压，以控制 MOSFET 的导通和截止。驱动电路的设计需要考虑以下几个因素：

　　1. 驱动能力：驱动电路需要提供足够的驱动电流，以确保 MOSFET 能够快速导通和截止。

　　2. 栅极电：驱动电路需要提供合适的栅极电压，以保证 MOSFET 能够可靠地导通和截止。

　　3. 隔离要求：在一些应用中，需要将驱动电路与控制电路进行隔离，以提高系统的安全性和可靠性。

　　4. 保护功能：驱动电路需要具备过流保护、短路保护等功能，以保护 MOSFET 和驱动电路本身。

　　结论

　　MOSFET 作为开关电源中的关键组件，其性能直接影响到开关电源的效率、可靠性和成本。在设计开关电源时，需要根据具体的应用要求，选择合适的 MOSFET，并设计合理的驱动电路和散热方案。通过对 MOSFET 的深入了解和合理应用，可以设计出高性能、高效率的开关电源。