4.9功率型mosfet用作開關(the power mosfet used as a switch)
4.9.1概論(introduction)
雖然場效應電晶體(field-effect transistor fet)應用於電路設計上己有許多年了，而近年來功率型金屬氧化半導體場效應電晶體(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor mosfet)，也己成功地製造出來，並在商業上大量的應用於功率電子的設計上。而此mosfet的功能需求，更超越了其它的功率元件，工作頻率可達20khz以上，一般都工作於100-200khz，而不需像雙極式功率電晶體有諸般經驗上的限制。
當然，如果我們設計轉換器工作於100 khz頻率下，比工作於20khz的頻率會有更多的優點，最重要的優點就是能減少體積大小與重量，功率型mosfet提供設計者一種高速度，高功率，高電壓，與高增益的元件，且幾乎沒有儲存時間，沒有熱跑脫與被抑制的崩潰特性，由於不同的製造廠商會使用不同的技術來製造功率型的fet，因此就會有不同的名稱，如hexfet，vmos，tmos等，此乃成為每一公司特有的註冊商標。雖然結構上會有所改變而增強了某些功能，但是所有的mosfets基本的工作原理都是相同的，事實上對某些應用上來說，使用特有型式的mosfet有時亦會較使用其它型式來得適切引人些。
4.9.2基本mosfet的定義(basic mosfet definitions)
mosfet的電路符號示於圖4-16中，此為n通道的mosfet，在圖4-16中另乙個為npn雙極式電晶體，可互相參考比較其符號之不同，當然亦有p通道的mosfet，其電路符號中的箭頭方向剛好與n通道相反，在圖4-16的這二個電路符號，雙極式電晶體的集極，基極，與射極端，就相對於mosfet的漏極，柵極與源極端。
雖然此二者元件都稱為電晶體，可是我們必須明了，雙極式元件與mosfet，在結構上與操作原理上還是有明顯的不同。最大之不同點就是mosfet為多數載流子半導體元件，而雙極式則為少數載流子半導體元件。
4.9.3mosfet門極驅動的考慮(gate drive considerations of the mosfet)
當我們使用到雙極式功率電晶體時，此元件基本上是屬於電流驅動的，也就是為了能在集極端有電流產生，必須在基極端注入電流，此產生的集極電流正比例於雙極式電晶體的增益。
反之，mosfet則為電壓控制的(voltage-controlled)元件，也就是為了能在漏極端有電流產生，必須在閘極與源極之間，提供額定的電壓值，由於mosfet的閘極端與源極端之間會被氧化矽層(silicon oxide layer)作電氣上的隔離，因此，僅有微量的漏電流會由所**的電壓源進入閘極。所以我們可以說，mosfet具有極高的增益與極高的阻抗。
為了將mosfet導通，閘極至源極電壓脈波必須傳導足夠的電流，在期望的時間內，將輸入電容器充電，mosfet的輸入電容值ciss乃為金屬氧化閘極結構所形成的電容值總和，此為閘極至漏極的電容值cgd與閘極至源極的電容值cgs。因此，驅動電壓源阻抗rg，其值必須非常低，為了達到電晶體高速之作用。
我們有一種方法可以大約計算驅動產生器的阻抗值與所需的驅動電流值，如下公式：
4-19）
且4-20）
在此 rg：產生器阻抗，ω
ciss：mosfet輸入電容值，pf
dv/dt：產生器的電壓變化率，v/ns
若要將mosfet關閉（off）時，我們不需像雙極式電晶體一樣，使用精確的逆向電流產生電路，這是由於mosfet為多數載子（majority carrier）的半導體，因此只要將閘極至源極電壓移去，即可將mosfet達至off狀態。在移去閘極電壓時電晶體會關閉，此時漏極與源極之間會呈現非常高的阻抗，因而除了漏電流（幾微安培），可抑制其它的電流產生。在圖4-17中說明了漏極電流對漏極至源極電壓之間的關係，由圖中可得知，僅當漏極至源極電壓超過其累增電壓時，漏極電流才會開始產生，而此時，閘極至源極電壓保持在零伏特之值。
4.9.4mosfet靜態操作點的特性（static operating characteristics of the mosfet）
圖4-18所示為功率型mosfet漏極至源極的操作特性曲線，讀者可將此mosfet特性曲線與圖4-1的雙極式電晶體特性曲線作個比較，乍看之下，它們雖然有些相同，不過它們之間還是有些不同的。
mosfet的輸出特性曲線有二個顯著的操作區域，稱為「恆定電阻區」與「恆定電流區」，當漏極至源極電壓增加時，漏極電流亦會成比例地增加，直到漏極至源極電壓達到夾止(pinch off)電壓時，漏極電流才會保持恆定之值。
當功率型mosfet被當作開關作用時，漏極端與源極端之間的電壓降會正比於漏極電流；這也就是功率型mosfet工作於恆定電阻區(constant resistance region)，且其動作狀態基本上就像是乙個電阻性元件，因此，功率型mosfet在處於on狀態時的電阻值rds on，此值乃為重要的引數值，乃因在所給的漏極電流情況下，可決定其功率之損失大小，就如同雙極式功率電晶體vce sat引數值的重要性。由圖4-18可得知，當閘極至源極的電壓提供時，漏極電流並不會少許地遞增，事實上，漏極電流開始產生是在臨限閘極電壓（threshold gate voltage）供給以後，一般此臨限閘極電壓值是介於2v與4v之間。超過此臨限電壓後，漏極電流與閘極電壓之間的關係幾乎是相等的，如此，互導（transconductance）gfs就可定義為漏極電流對閘極電壓的變化率，在較高的漏極電流值下亦保持不變。
在圖4-19為id對vgs的轉移特性曲線，在圖4-20則為互導gfs與漏極電流id之間的關係曲線。
顯而易見的，若提高互導值將會使得電晶體增益成比例地公升高，也就是會產生更大的漏極電流，但是不幸的是，此種情況將會使mosfet的輸入電容值增大，因此，閘極驅動器必須仔細小心地設計，此乃將傳導電流至輸入電容予以充電，為了增加mosfet的轉換速度(switching speed)。
4.9.5mosfet的安全操作區（soa）(mosfet safe operating area（soa）)
在先前所討論過的雙極式功率電晶體中，我們曾提過為了避免二次崩潰現象的發生，元件的功率消耗必須保持在順向安全操作區的操作極限內，如此，在高的集極電壓下，雙極式電晶體的功率消耗會被其二次崩潰限制到非常小的滿額定功率的百分比下，甚至在非常短的轉換週期內soa能力還是會被限制的，且結合箝制電路的使用可減少電晶體的轉換應力（switching stress），亦可避免二次崩潰。
相對的，mosfet卻提供了乙個非常穩定的安全操作區（soa），這是因為mosfet在順向偏壓時，不需苦於二次崩潰所產生的效應，因此，此直流與脈波的安全操作區（soa）會優於雙極式電晶體的soa，事實上以功率型mosfet來說，在不需箝制電路情況，在額定的電壓下就能轉換作用至額定的電流，當然在實際電路設計期間，需能做適切的取捨，方為明智之舉，在圖4-21中，我們可以比較出mosfet與雙極式電晶體的soa的容許能力。
在逆向偏壓期間的二次崩潰也是不存在於功率型mosfet中，所以在雙極式電晶體off期間所使用的簡單逆向偏壓方法，是不適用於mosfets的，在此要將mosfet處於off狀態時，僅需將閘極電壓轉換0v即可。
4.9.6驅動功率型mosfet的設計考慮(design considerations for driving the power mosfet)
此時，我們可以清楚地明了到設計者在做轉換器的設計時，若使用功率型的mosfet會比使用雙極式功率電晶體，在效果或效能上來得更好，尤其是當mosfet操作在很高的頻率下（一般都在100khz以上），其最好的功能特性就會顯現出來，在做設計時應多加留心，儘量減少問題的產生，特別是有關振盪（oscillation）情況的發生，在圖4-22所示的電路為典型的mosfet驅動阻性負載電路，此電路工作於共源極模式（***mon-source mode）。
在此基本上有二個非常簡單的設計準則，可用來防止mosfet應用於高頻中而產生振盪的現象。首先，要減少進入mosfet端點的引線長度，尤其是閘極端點的引線，如果實在無法使用短的引線的話，設計者可使用陶鐵磁珠粒（ferrite bead），或是小電阻器r1，與mosfet串聯來使用，如圖4-22所示，因此只要使用以上其中一種方法，將其置於mosfet閘極附近，即可達到抑制寄生振盪(parasitic oscillation)的現象。
其次，因為mosfet有極高的輸入阻抗，所以驅動源的阻抗值必須低，以避免正回授的產生，而導致振盪現象的發生，在此我們也必須注意的是，mosfet的直流輸入阻抗是非常高的，而其動態或交流輸入阻抗值卻是隨著頻率而來改變的，因此，mosfet的上公升時間與下降時間，則依驅動產生器的阻抗而定。
其上公升時間或下降時間可由以下的公式大約計算求出：
4-21）
在此 tr：mosfet的上公升時間，ns
tf：mosfet的下降時間，ns
rg：驅動產生器的阻抗，ω
ciss：mosfet輸入電容值，pf
有一點非常重要的是，公式4-21必須在rl>>rg情況下才是有效的，基於此事實我們所使用的mosfet幾乎沒有儲存時間，或是延遲時間，因此，允許上公升時間與下降時間由設計者來設定，圖4-22電路中的r2電阻值的作用是幫助mosfet達到off狀態。
例題4-2
在圖4-22電路中，mosfet的輸入電容值ciss＝pf，電阻器r1＝150ω，rl＝2000ω，試求出驅動波形的上公升時間為多少？
解：利用公式4-21，我們可得
另外乙個必須記得的重要事實是，如果閘極至源極電壓超過製造廠商的規定標準時，則閘極至源極區域之間的氧化矽層，會很容易地被打穿，而使得mosfet遭受破壞，實際上閘極電壓的最大值可從20v至30v，即使如果閘極電壓低於最大可容許值時，我們必須要有明智之舉，去徹底調查確定是否有因離散電感（stray inductances），而引起快速上公升的波尖，這會使得mosfet的氧化層遭受破壞。
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