MOSFET的基本特性及MOSFET開(kāi)關(guān)電路

MOSFET是一種利用場(chǎng)效應(yīng)的晶體管。MOSFET代表金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，它有一個(gè)柵極。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，您可以將這個(gè)門(mén)想象成一個(gè)水龍頭，您逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)水龍頭，水開(kāi)始流出水龍頭，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)水停止從水龍頭流出。同樣，柵極電壓決定了器件的導(dǎo)電性。根據(jù)這個(gè)柵極電壓，我們可以改變電導(dǎo)率，因此我們可以將其用作開(kāi)關(guān)或放大器，就像我們使用晶體管作為開(kāi)關(guān)或放大器一樣。自從1980年代功率MOSFET出現(xiàn)以來(lái)，功率開(kāi)關(guān)變得更快、更高效。幾乎所有現(xiàn)代開(kāi)關(guān)電源都使用某種形式的功率MOSFET作為其開(kāi)關(guān)元件。MOSFET因其低傳導(dǎo)損耗、低開(kāi)關(guān)損耗而成為首選，并且由于MOSFET的柵極由電容器制成，它的直流柵極電流為零。因此，在本文中，我們將討論打開(kāi)和關(guān)閉MOSFET的不同方法，最后，我們將看一些實(shí)際示例，說(shuō)明這如何影響MOSFET。

MOSFET的基本特性

與雙極結(jié)型晶體管或BJT一樣，MOSFET是一種三端子器件，三個(gè)端子是GATE、漏極和SOURCE，柵極控制漏極和源極之間的傳導(dǎo)。

從技術(shù)上講，F(xiàn)ET本質(zhì)上是雙向的，但功率MOSFET在硅級(jí)上的構(gòu)建方式在漏極和源極之間增加了一個(gè)寄生反并聯(lián)二極管，這使得MOSFET在其兩端的電壓反向時(shí)導(dǎo)通，這是什么要牢記。大多數(shù)功率MOSFET的原理圖符號(hào)都顯示了寄生二極管。

MOSFET可以被認(rèn)為是一個(gè)壓控可變電阻，就像BJT晶體管可以被認(rèn)為是一個(gè)電流控制的電流源一樣。然而，和BJT一樣，這個(gè)特性不是線性的，即電阻不會(huì)隨著施加的柵極電壓線性下降，如下圖所示來(lái)自流行的IRF3205的數(shù)據(jù)表，而我們所說(shuō)的內(nèi)阻熱起著在內(nèi)阻方面起關(guān)鍵作用。

在大多數(shù)情況下，這并不重要，因?yàn)楣β蔒OSFET旨在用于開(kāi)關(guān)應(yīng)用，盡管線性使用是可能的。使用MOSFET作為開(kāi)關(guān)時(shí)，有幾個(gè)重要的注意事項(xiàng)。

漏源擊穿電壓和漏極電流：

這取決于應(yīng)用-功率MOSFET可提供低至20V和高達(dá)1200V的擊穿額定值，電流范圍從毫安到千安，整整六個(gè)十年。

柵極閾值電壓：

這類(lèi)似于常規(guī)BJT的基極-發(fā)射極電壓，但對(duì)于MOSFET，該電壓的定義并不明確。雖然MOSFET可能會(huì)在相對(duì)較低的電壓下開(kāi)啟，但它只能在指定的柵源電壓下承載全電流。這是需要小心的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)MOSFET的額定電壓為10VGS?？商峁┻壿嬰娖組OSFET，其規(guī)定全電流為4.5V。

輸入電容：

由于柵極與從漏極到源極的導(dǎo)電路徑電隔離，因此它形成了一個(gè)小型電容器，每次MOSFET開(kāi)關(guān)時(shí)都必須對(duì)其進(jìn)行充電和放電。對(duì)于功率MOSFET，這個(gè)電容的范圍可以從數(shù)百皮法到數(shù)十納法。

當(dāng)柵極電壓比源極電壓高幾伏時(shí)，N溝道MOSFET開(kāi)啟，數(shù)據(jù)表中提到了這些電壓的額定值，并且漏源電壓以正電壓指定。電流流入漏極并流出源極。當(dāng)柵極低于源極幾伏且漏源電壓為負(fù)時(shí)，P溝道MOSFET開(kāi)啟。電流流入源極并流出漏極。

簡(jiǎn)單的MOSFET開(kāi)關(guān)電路

下圖顯示了N和P溝道MOSFET的最簡(jiǎn)單配置。

MOSFET柵極從電源電壓快速充電，將它們打開(kāi)。但是，如果在打開(kāi)MOSFET后，門(mén)單獨(dú)離開(kāi)會(huì)怎樣？一旦從柵極移除電源，MOSFET仍然保持開(kāi)啟狀態(tài)！

就像普通電容器一樣，柵極會(huì)保持其電荷，直到它被移除或通過(guò)非常小的柵極泄漏電流泄漏出去，要消除這些電荷，柵極必須放電。這可以通過(guò)將柵極連接回源極端來(lái)完成。但是，如果柵極被驅(qū)動(dòng)電路懸空怎么辦？如果雜散電荷在柵極中積累到足以將柵極電壓推至閾值以上，則MOSFET會(huì)意外開(kāi)啟，這可能會(huì)損壞下游的電路。出于這個(gè)原因，通常會(huì)在柵極和源極之間看到一個(gè)下拉/上拉電阻，只要去除柵極電壓，它就會(huì)從柵極移除電荷。最好包含一個(gè)上拉/下拉電阻無(wú)論驅(qū)動(dòng)器的種類(lèi)如何，都在MOSFET的柵極之間。10K是一個(gè)很好的價(jià)值。

MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路

MOSFET的柵極非常敏感，因?yàn)閷艠O與溝道絕緣的氧化層非常薄。大多數(shù)功率MOSFET的額定柵源電壓僅為±20V！因此，柵極兩端的齊納二極管是一個(gè)很好的預(yù)防措施。

由于柵極電容與引線電感相結(jié)合會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)時(shí)出現(xiàn)振鈴，這可以通過(guò)在柵極串聯(lián)一個(gè)小電阻（約10Ω）來(lái)緩解。最終的MOSFET柵極電路如下圖所示。

MOSFET的柵極通常不會(huì)吸收任何電流（除了小漏電流），但在需要快速開(kāi)啟和關(guān)閉的開(kāi)關(guān)應(yīng)用中使用時(shí)，柵極電容必須快速充電和放電。這需要一些電流，在這些情況下，需要一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，它可以采用分立電路、柵極驅(qū)動(dòng)IC或柵極驅(qū)動(dòng)變壓器的形式。

我們構(gòu)建了一個(gè)簡(jiǎn)單的MOSFET作為開(kāi)關(guān)電路，以展示如何切換N溝道MOSFET（左側(cè)）和P溝道MOSFET（右側(cè)）。您還可以查看下面的視頻，該視頻演示了如何打開(kāi)和關(guān)閉MOSFET。

腳注

MOSFET是一個(gè)四端器件，第四端是襯底，它是制造晶體管其余部分的實(shí)際導(dǎo)電硅基。該端子通常連接到電路中最負(fù)的電源軌（對(duì)于N通道器件，即P通道器件反之亦然），這樣它就不會(huì)干擾正常工作。對(duì)于功率MOSFET，假設(shè)源極是最負(fù)端（因?yàn)镹溝道MOSFET主要用于低端，將負(fù)載切換到地），因此襯底引腳連接到源極。這會(huì)產(chǎn)生上述寄生二極管。如果基板引腳“斷開(kāi)”，將其連接到最負(fù)的電源軌將確保寄生二極管在正常運(yùn)行中永遠(yuǎn)不會(huì)正向偏置。