本系列文章以轉換器 IC 評估板的參考電路為主題，說明選擇各種分立元件時的重要特性。在講解過程中，通過使用 LTspice 改變元器件或元器件本身的常數，并使用仿真波形和計算值檢查電路的變化，解釋特性與電路之間的關系。

《如何在 DC/DC 轉換器電路中選擇 MOS-FET》分為上、下兩篇，主要講解如何選擇 DC/DC 轉換器電路所需的 MOS-FET，同時通過仿真檢查 MOS-FET 特性的影響。本文為上篇，主要為大家介紹 MOS-FET 的類型、N 溝道增強型 MOS-FET，以及 MOS-FET 的重要特性。

MOS-FET 的類型

MOS-FET 是金屬氧化物半導體 (Metal Oxide Semiconductor) 和場效應管 (Field Effect Transistor) 的英文縮寫，它也可以用作模擬元件，如模擬放大器，也可用作開關電源電路中的開關元件。如下圖 (圖1) 所示，MOS-FET 有兩種類型：N 溝道 MOS-FET 和 P 溝道 MOS-FET。

圖1 MOS-FET 的類型

當相對于源極向柵極施加正電壓時，N 溝道 MOS-FET 導通；當相對于源極向柵極施加負電壓時，P 溝道 MOS-FET 導通。電源電路中都使用 N 溝道 MOS-FET 和 P 溝道 MOS-FET，但一般來說，N 溝道 MOS-FET 通常比 P 溝道 MOS-FET 更常用，因為它們的導通電阻更低，類型也更多。

此外，它們還分為增強型 (常關) 和耗盡型 (常開)。在增強型中，施加柵極電壓時會流過電流，而在耗盡型中，即使柵極處于負電壓，也會在一定程度上流過電流。下面將介紹 N 溝道增強型 MOS-FET。

N 溝道增強型MOS-FET

MOS-FET 在電源電路中的作用

下圖 (圖2) 為二極管的作用及其對轉換器 IC 的影響示意圖。在異步降壓整流轉換器中，二極管執行整流操作，在高側開關關閉時向輸出側提供電流。換句話說，二極管用作低壓側開關。但二極管的正向電壓 (VF) 會產生損耗，從而影響電源電路的效率。當二極管導通和關斷時，開關過程中也會產生損耗。關斷后，電流會反向流動一定量。電流越大，損耗越大。

圖2 二極管的作用及其對轉換器 IC 的影響

通過使用低導通電阻功率 MOS-FET 代替二極管，同時使用低導通電阻 MOS-FET 作為高壓側開關，使兩個功率 MOS-FET 同步，以便它們交替導通和關斷，可實現低損耗轉換器。

在下圖 (圖3) 中，當 Q1 的 MOS-FET 導通時，Q2 的 MOS-FET 關斷。當 Q1 關斷時，Q2 導通，電流在 Q1 和 Q2 之間交替提供。如果 Q1 和 Q2 同步工作，它們不會同時導通，則可以實現低損耗電流開關電路。

圖3 Q1、Q2 MOS-FET 工作狀態

MOS-FET 的重要特性

當使用 MOS-FET 作為開關元件時，在選擇元件時應充分考慮 MOS-FET 的特性。以下為 MOS-FET 的重要特性：

MOS-FET 可實現低損耗電流開關

選擇 MOS-FET 時的重要特性，如下圖 (圖4) 所示：

圖4 選擇 MOS-FET 時的重要特性

電壓、電流額定值

功率 MOS-FET 的最大允許值 (例如可流經功率 MOS-FET 的電流、可施加的電壓和功率損耗) 被指定為最大額定值。如果在設計電路時不考慮最大額定值，功率 MOS-FET 將無法有效工作，反而會損壞它，縮短其使用壽命，甚至在最壞的情況下毀壞它，因此遵守最大額定值對確保電路在指定的目標工作時間內可靠運行非常重要。

規定為額定值的主要項目包括“漏極電流”、“端子電壓”、“功率損耗”、“結溫”和“儲存溫度”，但在選擇功率 MOS-FET 時要特別考慮確保以下各項特性不超過額定值。另外，由于這些特征彼此密切相關，因此應將它們視為一個整體，而不是作為單個特征。

漏源電壓：VDSS

漏源電壓為在柵極和源極之間的短路情況下，可以在漏極之間施加的最大電壓。如果施加的電壓高于額定值，MOS-FET 可能會進入擊穿區域并損壞 MOS-FET，從而可能影響其可靠性。在最壞的情況下，MOS-FET 會損壞。

漏極電流：ID

漏極電流為可以在漏極和源極之間連續流動的最大直流電流值。ID 受漏極和源極之間導通電阻造成的功率損耗限制，因此它也受到散熱條件的影響，必須在結溫不超過額定值的電流值以下使用。除了損耗限制外，它們還受到封裝載流能力、最大結溫和安全工作區的限制。

柵極-源極電壓：VGS

柵極-源極電壓為可在柵極和源極之間施加的最大電壓。該額定值取決于柵極氧化膜的擊穿電壓，它是根據實際電壓和可靠性確定的。

功耗：PD

功耗為允許的最大功率損耗。在理想的開關操作過程中，MOS-FET 關斷時沒有電流流過，導通時不施加電壓，因此理論上沒有功率損耗 (電壓×電流)。然而在實踐中，導通期間漏極和源極之間存在導通電阻，從而導致損耗。即使導通電阻低至幾十 mΩ 或更低，當大電流流過時也不能忽視。如果柵極電壓沒有充分高于閾值電壓，則半導通電阻將增加。在開關轉換期間，電流和電壓處于中間狀態也可能會導致損耗。

在這些特性中，電壓和電流特性被定義為安全工作區 (SOA)，有時被稱為安全操作區域 (ASO)。大多數 MOS-FET 數據表都列出了 SOA，如下圖 (圖5) 所示。在此圖中，淺藍色標記的區域是 SOA，即 MOS-FET 可以安全運行的區域。SOA 的橫軸是 MOS-FET 的漏源電壓 (VDS)，縱軸是漏極電流 ID，橫軸和縱軸都是對數軸。

圖5 MOS-FET 的安全工作區

要點

在要使用的電路上，選擇不超過以下每個額定值：

漏源電壓：VDSS

漏極電流：ID

柵極-源極電壓：VGS

功耗：PD

電壓和電流特性定義為安全工作區 (SOA)，并在該范圍內使用。

總結

本文主要介紹 MOS-FET 的類型、N 溝道增強型 MOS-FET，以及 MOS-FET 的重要特性。