DC/DC转换器电路中MOSFET的选择指南(上)

本系列文章以转换器 IC 评估板的参考电路为主题，说明选择各种分立元件时的重要特性。在讲解过程中，通过使用 LTspice 改变元器件或元器件本身的常数，并使用仿真波形和计算值检查电路的变化，解释特性与电路之间的关系。

《如何在 DC/DC 转换器电路中选择 MOS-FET》分为上、下两篇，主要讲解如何选择 DC/DC 转换器电路所需的 MOS-FET，同时通过仿真检查 MOS-FET 特性的影响。本文为上篇，主要为大家介绍 MOS-FET 的类型、N 沟道增强型 MOS-FET，以及 MOS-FET 的重要特性。

MOS-FET 的类型

MOS-FET 是金属氧化物半导体 (Metal Oxide Semiconductor) 和场效应管 (Field Effect Transistor) 的英文缩写，它也可以用作模拟元件，如模拟放大器，也可用作开关电源电路中的开关元件。如下图 (图1) 所示，MOS-FET 有两种类型：N 沟道 MOS-FET 和 P 沟道 MOS-FET。

图1 MOS-FET 的类型

当相对于源极向栅极施加正电压时，N 沟道 MOS-FET 导通；当相对于源极向栅极施加负电压时，P 沟道 MOS-FET 导通。电源电路中都使用 N 沟道 MOS-FET 和 P 沟道 MOS-FET，但一般来说，N 沟道 MOS-FET 通常比 P 沟道 MOS-FET 更常用，因为它们的导通电阻更低，类型也更多。

此外，它们还分为增强型 (常关) 和耗尽型 (常开)。在增强型中，施加栅极电压时会流过电流，而在耗尽型中，即使栅极处于负电压，也会在一定程度上流过电流。下面将介绍 N 沟道增强型 MOS-FET。

N 沟道增强型MOS-FET

MOS-FET 在电源电路中的作用

下图 (图2) 为二极管的作用及其对转换器 IC 的影响示意图。在异步降压整流转换器中，二极管执行整流操作，在高侧开关关闭时向输出侧提供电流。换句话说，二极管用作低压侧开关。但二极管的正向电压 (VF) 会产生损耗，从而影响电源电路的效率。当二极管导通和关断时，开关过程中也会产生损耗。关断后，电流会反向流动一定量。电流越大，损耗越大。

图2 二极管的作用及其对转换器 IC 的影响

通过使用低导通电阻功率 MOS-FET 代替二极管，同时使用低导通电阻 MOS-FET 作为高压侧开关，使两个功率 MOS-FET 同步，以便它们交替导通和关断，可实现低损耗转换器。

在下图 (图3) 中，当 Q1 的 MOS-FET 导通时，Q2 的 MOS-FET 关断。当 Q1 关断时，Q2 导通，电流在 Q1 和 Q2 之间交替提供。如果 Q1 和 Q2 同步工作，它们不会同时导通，则可以实现低损耗电流开关电路。

图3 Q1、Q2 MOS-FET 工作状态

MOS-FET 的重要特性

当使用 MOS-FET 作为开关元件时，在选择元件时应充分考虑 MOS-FET 的特性。以下为 MOS-FET 的重要特性：

MOS-FET 可实现低损耗电流开关

选择 MOS-FET 时的重要特性，如下图 (图4) 所示：

图4 选择 MOS-FET 时的重要特性

电压、电流额定值

功率 MOS-FET 的最大允许值 (例如可流经功率 MOS-FET 的电流、可施加的电压和功率损耗) 被指定为最大额定值。如果在设计电路时不考虑最大额定值，功率 MOS-FET 将无法有效工作，反而会损坏它，缩短其使用寿命，甚至在最坏的情况下毁坏它，因此遵守最大额定值对确保电路在指定的目标工作时间内可靠运行非常重要。

规定为额定值的主要项目包括“漏极电流”、“端子电压”、“功率损耗”、“结温”和“储存温度”，但在选择功率 MOS-FET 时要特别考虑确保以下各项特性不超过额定值。另外，由于这些特征彼此密切相关，因此应将它们视为一个整体，而不是作为单个特征。

漏源电压：VDSS

漏源电压为在栅极和源极之间的短路情况下，可以在漏极之间施加的最大电压。如果施加的电压高于额定值，MOS-FET 可能会进入击穿区域并损坏 MOS-FET，从而可能影响其可靠性。在最坏的情况下，MOS-FET 会损坏。

漏极电流：ID

漏极电流为可以在漏极和源极之间连续流动的最大直流电流值。ID 受漏极和源极之间导通电阻造成的功率损耗限制，因此它也受到散热条件的影响，必须在结温不超过额定值的电流值以下使用。除了损耗限制外，它们还受到封装载流能力、最大结温和安全工作区的限制。

栅极-源极电压：VGS

栅极-源极电压为可在栅极和源极之间施加的最大电压。该额定值取决于栅极氧化膜的击穿电压，它是根据实际电压和可靠性确定的。

功耗：PD

功耗为允许的最大功率损耗。在理想的开关操作过程中，MOS-FET 关断时没有电流流过，导通时不施加电压，因此理论上没有功率损耗 (电压×电流)。然而在实践中，导通期间漏极和源极之间存在导通电阻，从而导致损耗。即使导通电阻低至几十 mΩ 或更低，当大电流流过时也不能忽视。如果栅极电压没有充分高于阈值电压，则半导通电阻将增加。在开关转换期间，电流和电压处于中间状态也可能会导致损耗。

在这些特性中，电压和电流特性被定义为安全工作区 (SOA)，有时被称为安全操作区域 (ASO)。大多数 MOS-FET 数据表都列出了 SOA，如下图 (图5) 所示。在此图中，浅蓝色标记的区域是 SOA，即 MOS-FET 可以安全运行的区域。SOA 的横轴是 MOS-FET 的漏源电压 (VDS)，纵轴是漏极电流 ID，横轴和纵轴都是对数轴。

图5 MOS-FET 的安全工作区

要点

在要使用的电路上，选择不超过以下每个额定值：

漏源电压：VDSS

漏极电流：ID

栅极-源极电压：VGS

功耗：PD

电压和电流特性定义为安全工作区 (SOA)，并在该范围内使用。

总结

本文主要介绍 MOS-FET 的类型、N 沟道增强型 MOS-FET，以及 MOS-FET 的重要特性。