MOSFET的基本特性及MOSFET开关电路

MOSFET是一种利用场效应的晶体管。MOSFET代表金属氧化物半导体场效应晶体管，它有一个栅极。为简单起见，您可以将这个门想象成一个水龙头，您逆时针旋转水龙头，水开始流出水龙头，顺时针旋转水停止从水龙头流出。同样，栅极电压决定了器件的导电性。根据这个栅极电压，我们可以改变电导率，因此我们可以将其用作开关或放大器，就像我们使用晶体管作为开关或放大器一样。自从1980年代功率MOSFET出现以来，功率开关变得更快、更高效。几乎所有现代开关电源都使用某种形式的功率MOSFET作为其开关元件。MOSFET因其低传导损耗、低开关损耗而成为首选，并且由于MOSFET的栅极由电容器制成，它的直流栅极电流为零。因此，在本文中，我们将讨论打开和关闭MOSFET的不同方法，最后，我们将看一些实际示例，说明这如何影响MOSFET。

MOSFET的基本特性

与双极结型晶体管或BJT一样，MOSFET是一种三端子器件，三个端子是GATE、漏极和SOURCE，栅极控制漏极和源极之间的传导。

从技术上讲，FET本质上是双向的，但功率MOSFET在硅级上的构建方式在漏极和源极之间增加了一个寄生反并联二极管，这使得MOSFET在其两端的电压反向时导通，这是什么要牢记。大多数功率MOSFET的原理图符号都显示了寄生二极管。

MOSFET可以被认为是一个压控可变电阻，就像BJT晶体管可以被认为是一个电流控制的电流源一样。然而，和BJT一样，这个特性不是线性的，即电阻不会随着施加的栅极电压线性下降，如下图所示来自流行的IRF3205的数据表，而我们所说的内阻热起着在内阻方面起关键作用。

在大多数情况下，这并不重要，因为功率MOSFET旨在用于开关应用，尽管线性使用是可能的。使用MOSFET作为开关时，有几个重要的注意事项。

漏源击穿电压和漏极电流：

这取决于应用-功率MOSFET可提供低至20V和高达1200V的击穿额定值，电流范围从毫安到千安，整整六个十年。

栅极阈值电压：

这类似于常规BJT的基极-发射极电压，但对于MOSFET，该电压的定义并不明确。虽然MOSFET可能会在相对较低的电压下开启，但它只能在指定的栅源电压下承载全电流。这是需要小心的，因为大多数MOSFET的额定电压为10VGS。可提供逻辑电平MOSFET，其规定全电流为4.5V。

输入电容：

由于栅极与从漏极到源极的导电路径电隔离，因此它形成了一个小型电容器，每次MOSFET开关时都必须对其进行充电和放电。对于功率MOSFET，这个电容的范围可以从数百皮法到数十纳法。

当栅极电压比源极电压高几伏时，N沟道MOSFET开启，数据表中提到了这些电压的额定值，并且漏源电压以正电压指定。电流流入漏极并流出源极。当栅极低于源极几伏且漏源电压为负时，P沟道MOSFET开启。电流流入源极并流出漏极。

简单的MOSFET开关电路

下图显示了N和P沟道MOSFET的最简单配置。

MOSFET栅极从电源电压快速充电，将它们打开。但是，如果在打开MOSFET后，门单独离开会怎样？一旦从栅极移除电源，MOSFET仍然保持开启状态！

就像普通电容器一样，栅极会保持其电荷，直到它被移除或通过非常小的栅极泄漏电流泄漏出去，要消除这些电荷，栅极必须放电。这可以通过将栅极连接回源极端来完成。但是，如果栅极被驱动电路悬空怎么办？如果杂散电荷在栅极中积累到足以将栅极电压推至阈值以上，则MOSFET会意外开启，这可能会损坏下游的电路。出于这个原因，通常会在栅极和源极之间看到一个下拉/上拉电阻，只要去除栅极电压，它就会从栅极移除电荷。最好包含一个上拉/下拉电阻无论驱动器的种类如何，都在MOSFET的栅极之间。10K是一个很好的价值。

MOSFET栅极驱动和保护电路

MOSFET的栅极非常敏感，因为将栅极与沟道绝缘的氧化层非常薄。大多数功率MOSFET的额定栅源电压仅为±20V！因此，栅极两端的齐纳二极管是一个很好的预防措施。

由于栅极电容与引线电感相结合会导致开关时出现振铃，这可以通过在栅极串联一个小电阻（约10Ω）来缓解。最终的MOSFET栅极电路如下图所示。

MOSFET的栅极通常不会吸收任何电流（除了小漏电流），但在需要快速开启和关闭的开关应用中使用时，栅极电容必须快速充电和放电。这需要一些电流，在这些情况下，需要一个栅极驱动器，它可以采用分立电路、栅极驱动IC或栅极驱动变压器的形式。

我们构建了一个简单的MOSFET作为开关电路，以展示如何切换N沟道MOSFET（左侧）和P沟道MOSFET（右侧）。您还可以查看下面的视频，该视频演示了如何打开和关闭MOSFET。

脚注

MOSFET是一个四端器件，第四端是衬底，它是制造晶体管其余部分的实际导电硅基。该端子通常连接到电路中最负的电源轨（对于N通道器件，即P通道器件反之亦然），这样它就不会干扰正常工作。对于功率MOSFET，假设源极是最负端（因为N沟道MOSFET主要用于低端，将负载切换到地），因此衬底引脚连接到源极。这会产生上述寄生二极管。如果基板引脚“断开”，将其连接到最负的电源轨将确保寄生二极管在正常运行中永远不会正向偏置。