開關電源是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種。其功能是將一個位準的電壓，透過不同形式的架構轉換為用戶端所需求的電壓或電流。開關電源的核心部件是功率開關管，是一個至關重要的組件。它負責控制電流的導通和截止，實現電能的轉換和調節。

在眾多功率開關管中，MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金屬氧化物半導體場效應晶體管）因其優異的性能而被廣泛應用。本文將詳細介紹 MOSFET 的工作原理、特性、選型以及在開關電源中的應用。

MOSFET 的工作原理

MOSFET 是一種電壓控制型器件，通過柵極電壓來控制漏極和源極之間的電流。它主要由柵極（G）、漏極（D）和源極（S）三個電極組成，其中柵極與源極之間由一層絕緣層隔開。

當柵極電壓為零時，MOSFET 處于截止狀態，漏極和源極之間沒有電流流過。當柵極電壓超過一定閾值時，絕緣層下方會形成一個導電溝道，使得漏極和源極之間導通，電流可以流過 MOSFET。通過控制柵極電壓的大小，可以調節導電溝道的寬度，從而控制漏極電流的大小。

橫向導電(信號MOSFET)/垂直導電(功率MOSFET)▲

功率MOSFET的內部結構與電氣符號如圖下所示。圖(a)給出的是具有雙擴散結構的垂直溝道 MOSFET示意圖，這也是最成功的產品設計之一。MOSFET 的電氣符號如圖(b)所示，其極性有N溝道和P溝道兩種，其中N溝道功率MOSFET應用最多、功率 MOSFET的內部結構使其寄生了一個一極管，稱之為體二極管。這個二極管具有和MOSFET相同的工作頻率，可以作為高頻整流管來使用。現今的同步整流技術就利用了這個體二極管。正常工作時、體二極管處于反向截止狀態，不影響MOSFET的開/關操作。

功率 MOSFET是增強型MOSFET，對于N溝道MOSFET，UGS施加正極性電壓，產生漏極電流;對于P溝道MOSFET，UGS需要施加負極性電壓才會產生極電流。

功率MOSFET屬于電壓控制型半導體元件，當UGS施加一定的電壓時，在源極和漏之間會形成較大的電流，這就是功率MOSFET的放大效應。下面以N溝道功率MSFET為例、介紹其工作原理。

功率 MOSFET屬于電壓控制型半導體元件

功率MOSFET的工作原理與特性曲線如圖下所示。其中圖(a)為工作原理，圖(b)為轉移特性曲線，圖(c)為輸出特性曲線。如圖(a)所示，功率MOSFET工作時，需要施加正極性的UGS和UDS，只要在柵極施加一定的電壓，就會在漏極產生較大的電流ID。由于MOSFET的輸入阻抗很高，柵極電流極小，因此極電流ID與源極電流IS相等，通常將流過源極的電流也稱為漏極電流ID，并以此來計算電路參數。

功率MOSFET的柵極對源極電壓(簡稱柵-源電壓)UGS與漏極電流ID的關系曲線圖(b)所示，該曲線稱為MOSFET的轉移特性。可以看出，當UGS從(0~UGSth)變時，漏極電流 ID始終為零、功率MOSFET 處于截止(關斷)狀態;當UGS大于 UGSth以后，隨著UGS的增加漏極電流ID開始迅速增大，功率MOSFET處于導通狀態。功率UGSth是功率MOSFET導通與關斷的切換點電壓，該電壓叫做開啟電壓或值電壓。MOSFET的開啟電壓通常在2~4V之間。

功率 MOSFET的輸出特性曲線如圖 (c)所示，圖中描述了柵-源電壓 UGS、漏極電流ID與漏極對源極電壓(簡稱漏-源電壓)UDS之間的關系曲線。輸出特性曲線可分為截止區、飽和區和電阻區三個區域。當UGS小于開啟電壓UGsth的時候，MOSFET處于截止區(關斷狀態)，此時漏極電流很小，并且不隨UDS的大小變化，該電流被稱為漏電流，通常用IDSS來表示。開關電源的功率開關管關斷時就處于截止區。在電路分析計算時，可以認為漏電流為零。

隨著UGS升高，功率MOSFET開始產生更大漏極電流，進入導通狀態。此時，如果較大，MOSFET將工作在圖(c)所示飽和區。在飽和區的時候，漏極電流只與UGS大小有關，而與UDS大小無關。也就是說，此時極漏電流ID處于恒定電流狀態，因此,飽和區也稱為恒流區。

功率 MOSFET的飽和區和雙極型晶體管的放大區特性基本相同。如圖(c)所示，通常用漏極電流ID的變化量ΔID與柵-源電壓UGS的變化量ΔUGS的比值，來描述MOSFET的放大能力，稱為正向跨導，常用gfs來表示。漏極電流ID越大的功率MOSFET，其正向跨導值gfs也越大。

功率MOSFET進入導通狀態時，如果漏-源電壓UDS較低，MOSFET將處于電阻區如圖(c)所示，該區域位于UDS=UGS-UGS(th)邊界線的左側。在該區域 MOSFET的漏極與源極之間呈現為固定電阻，該電阻被稱為導通電阻，常用RDS(ON)來表示。如果漏-源電壓UDS為零，則無論柵-源電壓UGS為多少，漏極電流ID也會變為零。RDS(ON)的阻值與UGS的大小有關，因此該區域也稱為可變電阻區或歐姆區。開關電源的功率開關管導通時就處在該區域。因此，即使漏極電流ID很大，也可通過選擇較低RDS(ON)的功率MOSFET，來保持較低的導通損耗。

功率MOSFET的使用注意事項

(1)關于漏極電壓

在開關電源中，選擇功率MOSFET時，首先要考慮擊穿電壓。由于MOSFET不存在二次擊穿現象，電壓余量可以選小一些，通常按MOSFET的擊穿電壓UDSS為功率開關管承受最大電壓的1.2~1.4倍即可。

(2)關于漏極電流

由于多數功率MOSFET的最大漏極電流IDM為額定漏極電流ID的3~4倍，因此，電流余量也可以選小一些，通常選擇MOSFET漏極電流ID為功率開關管的最大極電流的1.5~2倍即可。

需要說明:功率MOSFET參數表中給出的額定漏極電流ID，通常是在其外殼溫度T為25℃時的參數值。當MOSFET外殼溫度升高的時候，其額定漏極電流ID將會下降。圖給出了IRF840的漏極電流和外殼溫度的關系曲線。可以看出，T為25℃時，ID為8A;當T為75℃時，ID下降為6A;當T為100℃時，ID下降為5A。這表明當功率MOSFET工作在高溫環境時，應該選擇額定漏極電流ID更大MOSFET，以便滿足高溫時的漏極工作電流要求。

(3)關于導通電阻

通常額定漏極電流ID較小的 MOSFET，其導通電阻RDS(ON),較大。在漏極電流較大的時候，功率開關管的導通損耗也會較大，為了降低導通損耗，應該選擇導通電阻RDS(ON)較小的功率MOSFET。

此外，導通電阻RDS(ON)還會隨著漏極電流ID的增加而變大。圖給出了IRF840的導通電阻和漏極電流的關系曲線。可以看出，當ID為5A時，RDS(ON)不到0.7Ω，當ID為10A時，RDS(ON)大約0.8Ω;當ID為20A時、RDS(ON)將達到1.2Ω 左右。

(4)關于柵極電壓

前文說過，RDS(ON)的阻值與UGS的大小有關。但是，當UGS大到一定程度(一般為10V以上)，RDS(ON)的阻值基本不再變化。圖也給出了UGS為10V和20V時RDS(oN)的阻值曲線，可以看出其差異不大。因此，功率MOSFET驅動電路的輸出電壓應該大于10V，通常選擇為12~15V。

(5)關于輸入電容

雖然功率MOSFET的輸入阻抗很高，但其柵極G與源極S之間存在較大的輸入電容。根據生產廠家和制造工藝的不同，輸入電容C的容量差異也較大。為了提高開關速度，減小驅動電路的負載，應選擇輸入電容C較小的功率MOSFET。

此外，為了提高開關速度，需要給輸入電容快速的充放電，這就要求驅動電路能夠提供很大的峰值電流，該電流通常可達1~2A，但持續時間通常不到100ns。這也說明，雖然功率MOSFET驅動電路的功耗很小，但仍然需要輸出很大的峰值電流。

(6)關于管殼溫度

和雙極型晶體管一樣。當功率MOSFET的管殼溫度升高時，最大允許電流及功耗會明顯下降。同時，高溫也會使導通電阻RDS(ON)的增大，產生更大的導通損耗。因此，許多廠家在其器件參數表中直接給出了T為100℃時允許的漏極電流值或者給出了高溫降額曲線。讀者一定要根據功率開關管的實際工作溫度來修正最大允許漏極電流ID的參數值。

MOSFET 在開關電源中的應用

MOSFET 在開關電源中有廣泛的應用，主要包括以下幾個方面：

1. 主開關管：在正激、反激、半橋、全橋等拓撲結構的開關電源中，MOSFET 作為主開關管，控制電能的轉換。

2. 同步整流管：在一些高效率的開關電源中，采用同步整流技術，用 MOSFET 代替二極管作為整流管，以降低整流損耗，提高效率。

3. 輔助開關管：在一些開關電源中，需要使用輔助開關管來實現軟開關、同步整流等功能。

4. 保護電路：MOSFET 可以用于過流保護、過壓保護等保護電路中，當出現異常情況時，及時切斷電路，保護開關電源和負載。

MOSFET 的驅動電路

MOSFET 的驅動電路是開關電源中的重要組成部分，它負責將控制信號轉換為合適的柵極電壓，以控制 MOSFET 的導通和截止。驅動電路的設計需要考慮以下幾個因素：

1. 驅動能力：驅動電路需要提供足夠的驅動電流，以確保 MOSFET 能夠快速導通和截止。

2. 柵極電：驅動電路需要提供合適的柵極電壓，以保證 MOSFET 能夠可靠地導通和截止。

3. 隔離要求：在一些應用中，需要將驅動電路與控制電路進行隔離，以提高系統的安全性和可靠性。

4. 保護功能：驅動電路需要具備過流保護、短路保護等功能，以保護 MOSFET 和驅動電路本身。

結論

MOSFET 作為開關電源中的關鍵組件，其性能直接影響到開關電源的效率、可靠性和成本。在設計開關電源時，需要根據具體的應用要求，選擇合適的 MOSFET，并設計合理的驅動電路和散熱方案。通過對 MOSFET 的深入了解和合理應用，可以設計出高性能、高效率的開關電源。