用于线性场景的MOSFET

通常来说，片外的功率MOSFET，一般都用于开关电源中，工作在开关状态。现有的分立功率MOSFET也基本上一直都在针对开关应用优化，各大厂家都在尽力提供更快的开关速度(更低的开关损耗)，更低的导阻(更低的导通损耗)，更小的晶圆面积(更低的成本)，更优秀的体二极管(快恢复)。

然而，对于一些线性应用，例如线性电子负载、线性恒流驱动、线性稳压器、Class-AB功放来说，上述"改进"可能并非好事。因为线性应用与开关应用，对于MOSFET的要求是不一样的，本文就来探讨一下这一问题。

本文目录

1-线性用途的MOSFET需要关心哪些性能？
2-哪里去寻找适用于线性应用的MOSFET？
3-常见问题

1-线性用途的MOSFET需要关心哪些性能？

1-1-MOSFET的工艺

一般常见现代的MOSFET都是Trench(低压)/SJ(高压)的工艺。这两种都是开关特化的工艺，一般不适合用于线性场景，原因有以下几点：

Trench/SJ的MOSFET的gm一般更大且随 $I_{D}$ 的变化一般更剧烈。

更大的gm意味着更容易震荡，而更剧烈的变化，意味着为了防止震荡，环路补偿必须要按照最大gm点来设置，这就导致了在其他gm不那么大的区域内，整个系统环路响应会非常慢。
Trench/SJ的MOSFET的晶圆面积一般不大

一般Trench/SJ的MOSFET，只需要不大的晶圆面积即可实现较低的导阻，所以通常晶圆面积占封装面积的比例很小。这就导致了晶圆到封装的热阻比较大，并且发热很集中，这会大大缩减SOA的范围。而平面工艺的MOSFET一般晶圆比较大，晶圆到封装的热阻小，并且发热不会很集中，SOA较宽。
Trench/SJ的MOSFET会有均流的问题

一般Trench/SJ的MOSFET，栅极对沟道的控制能力更强，且导通电阻更低。这就导致了在很大一个范围内，Trench/SJ的MOSFET都会呈现负温度系数，类似于BJT，这会导致均流与热稳定性相关的问题(后文有详细讲)。

所以，一般平面栅的MOSFET，更适合用于线性应用。

1-2-MOSFET的SOA

MOSFET的晶圆尺寸/工艺，直观的体现在数据上，就是SOA，在SOA内工作，一般就可以保证器件不会因为热量而损坏。

下图为一个典型的SOA曲线：

MOSFET的SOA一般有以下几个限制条件：

导阻限制(红线，1区域)：

MOSFET的导阻限制了，在比较低的漏源电压下，根据欧姆定律，其漏极电流最大只能到红线处。
封装限制(绿线，2区域)：

MOSFET封装载流的限制，例如从晶圆到引脚上细细的绑定线不能承受很大电流。其最大电流不能超过绿线，否则可能造成损坏。
散热限制(蓝线，3区域)：

由于MOSFET的晶圆到封装存在一定的热阻，受限于MOSFET的最大工作结温，其最大功耗存在限制，超过可能导致MOSFET热击穿。

由于晶圆本身存在一定的热容(体现为瞬态热阻)，短时间内超过最大耗散功率是可以接受的，所以在窄脉宽下，更高的功率是可以的。
热稳定性限制(青线，4区域)：

一个MOSFET的晶圆上一般会有很多小的MOSFET元胞，这些元胞是并联关系，而由于MOSFET的阈值电压随温度上升而下降，一旦某一个元胞温度上升，其阈值电压会下降，进而在相同的栅极电压下流过更大的电流，这是一条正反馈途径，在高漏源电压下尤其明显。如果这条正反馈路径的影响比其他负反馈路径(例如，温度上升导阻上升，背板金属均热等)的影响都要大，就会造成热失控，在局部产生热击穿。所以在高压正向偏置时，SOA要降额，这也是在青蓝交界处SOA曲线斜率改变的原因。
耐压限制(橙线，5区域)：

这个很简单，超过次偏压MOSFET的体二极管会雪崩击穿，雪崩能量过大就会导致损坏。

注意厂家手册中给出的SOA一般是25℃下的SOA，如果受限于散热条件，温度上升的话，需要根据温度进行降额。

在线性应用中，一定要注意工作区不能超出SOA，否则很容易损坏MOSFET。在高压正向偏置下，部分MOSFET的SOA会变得尤其窄，例如下图的IXTN32P60P：

这个SOT-227的晶体管，在300V正向偏置下DC的SOA仅为约100mA，超出即可能损坏。

1-3-MOSFET的导阻

对于开关应用来说，MOSFET的导阻肯定是越低越好的，越低越接近理想开关。但是对于线性应用来说，可能反而是，在保证MOSFET能工作在饱和区的前提下，导阻越大越好。因为在正向偏置时，MOSFET的栅极电压与漏极电流的关系一般如下图：

在较小电流的区域，温度上升会导致漏极电流上升，这是因为此区域内阈值电压的负温度系数占据主导。

在较大电流的区域，温度上升会导致漏极电流下降，这是因为此区域内导通电阻的正温度系数占据主导。

在两者产生的影响相平衡的点，一般称之为"零温度系数点(ZTC)"。如果一个MOSFET的导阻越大，ZTC点就会越靠下，同一晶圆上元胞与元胞之间的均流效果就更好，其热稳定性也就越好。或者是，在并联多个MOSFET时，器件与器件间的均流也就越好。

一个小技巧是，线性应用可以选用远高于所需耐压的MOSFET，不为别的，就为了更高的导阻。

1-4-MOSFET的封装

MOSFET的封装基本与它的最大耗散能力正相关，下表为经验数据：

	TO-220(金属背板)	TO-247 / TO-3P	TO-264
持续功率	10W~20W	20W~40W	40W~80W
短时过载功率	80W	140W	300W

以上经验数据是在，大晶圆MOSFET，室温情况，正常大小铝制散热片，中等风量风冷的情况下得出的。如果散热条件有变换，需酌情调整。

1-5-MOSFET的雪崩能量

我们都知道，用于线性应用的话，一般来说MOSFET的晶圆越大越好。晶圆越大意味着更低的晶圆到封装热阻，更宽的SOA。

但是，总不能把市面上所有的MOSFET买来，一个个开盖来看晶圆大小吧？幸好我们可以根据MOSFET手册中的单次雪崩能量，来推断这个晶圆的大小，一般来说，500mJ左右的单次雪崩能量意味着差不多是填满TO-220封装的晶圆大小，1J左右的单次雪崩能量意味着差不多是填满TO-247封装的晶圆大小。当然这个判断标准并不准确，根据工艺的不同可能会有比较大的误差，只是一个粗略的标准。

此外，在一些应用场景中，例如高电流斜率的电子负载，如果漏极电流由很大，很快地变为很小，而环路电感又比较高，那么此时环路电感会在MOSFET的漏极产生一个尖峰，如果这个尖峰超出了MOSFET的耐压，那么就要靠体二极管的雪崩击穿来吸收这个尖峰。如果此时单次雪崩能量不够，MOSFET就很可能发生损坏。当然，选用更高耐压的MOSFET，并且在漏极到地之间加上一个TVS，会很大程度的缓解这一问题。

2-哪里去寻找适用于线性应用的MOSFET？

那么，说了这么多，有哪些MOSFET更适合与线性应用呢？

2-1-Lateral MOSFET

最适合用于线性应用的MOSFET是"Lateral MOSEFT"，这一系列最早由日立在上世纪开发，最初主要用于Class-AB音频功率放大器。

Lateral MOSFET最最主要的特点是，它从很小的漏极电流开始，就表现出正温度系数，这意味着它在很宽的范围内都拥有自均流特性：

其阈值电压很低，但大电流时需要的栅极电压又很高，所以用与Class-AB输出级的时候，只需要简单的开环偏置即可，有时甚至不需要源极退化电阻；并联使用也非常容易。

由于其自均流特性，晶圆内元胞之间也不容易出现热失控，其SOA的限制基本只有最大耗散功率：

而且，其跨导随漏极电流的变化，非常小：

其沟长调制效应也非常不明显：

另外，由于其为独特的横向结构，寄生电容比较小，用于放大器很合适，可以实现更高的带宽。

下图为同样200V耐压，同样晶圆几乎占满TO-247封装的IRFP260(上图)与ECX10N20(下图)寄生电容对比：

可以看到，在更低的测试电压下，ECX10N20的寄生电容比IRFP260小了接近一倍！

这些特性意味着，Lateral MOSFET几乎是最最适合用于线性应用的MOSFET，那么，哪里能买到呢？

一共有三家生产过此类型的MOSFET：

日立(瑞萨)：此类MOSFET最早由日立制造，2SKXXX+2SJXXX系列，专用于音频功率放大器，例如，但是瑞萨早已停止生产这类MOSFET，现在倒是能买到一些拆机货，不过价格并不便宜。

MAGNA TEC(Seme Lab/TT Electronics)：BUZ90X系列的MOSFET，以及后来的ALFXXXXX系列的MOSFET，都由MAGNA TEC制造。MAGNA TEC后来被Seme Lab收购，Seme Lab后来又被TT Electronics收购，这一系列的MOSFET也已经停产，有一点拆机货可以买。

EXICON：专门生产用于音频功放的Lateral MOSFET，目前唯一仍然在产的一个，TO-3金属罐封装的已经停产，但是单晶圆的TO-247封装的ECXXXXXX，与双晶圆的TO-264封装的ECWXXXXX仍然在产。价格很贵，时不时缺货，但它是在产的唯一选择。小道消息说EXICON与MAGANA TEC的晶圆是一家产的，即Seme Lab。

这一类MOSFET只有160V-250V耐压可选，有对称的N+P对管可用。

2-2-平面栅MOSFET/线性特化MOSFET

很多国外厂家会有一些专门为线性应用特化的MOSFET产品线，也有一些有老的平面栅工艺，比如：

Infineon：有60V-100V的线性N-MOSFET。

Onsemi(Fairchild)：老仙童的QFET产品线，手册中明确说明是"Planar Stripe"工艺。有60V-1000V的N-MOSFET与60V-500V的P-MOSFET可选。

Nexperia(虽然现在理论上属于中国，但由于其为NXP分立器件部分拆分来，这里按照历史的惯性，归类为国外厂家)：有25V-100V的线性N-MOSFET。ASFET系列。

Microchip(APL)：有500V-1000V的超大功率线性N-MOSFET。

LittelFuse(IXYS)：有75V-2500V的线性N-MOSFET。超高压仅他一家。

TOSHIBA：他家的π-MOS明确说了是平面工艺，覆盖从250V-900V的N-MOSFET。

KEC：有自己的产品线，覆盖从200V-800V的平面栅N-MOSFET。

SemiHow：有自己的产品线，覆盖从60V-1500V的平面栅N-MOSFET。

一些国内的厂家，由于在新技术开关MOSFET上卷不过别人，于是另辟蹊径，直接回归老工艺平面栅MOSFET，专门给电子负载之类的用：

Wayon维安：有自己的产品线，覆盖从200V-1500V的平面栅N-MOSFET。

PIP丽隽：有自己的产品线，覆盖从40V-2500V的平面栅N-MOSFET。

UTC友顺：有自己的产品线，覆盖从55V-1800V的平面栅N-MOSFET。同时有平面栅P-MOSFET，从55V到500V。

无锡光磊：有一些性能很好的线性MOSFET，但官网没有资料。

Convertsemi锴威特：有自己的产品线，覆盖从55V-1700V的平面栅N-MOSFET。同时有平面栅P-MOSFET，从60V到200V。

Silan士兰微：有自己的产品线，覆盖从55V-1500V的平面栅N-MOSFET。同时有平面栅P-MOSFET，55V和150V两种。

Belling贝岭：有自己的产品线，覆盖从200V-1500V的平面栅N-MOSFET。

Yangjie扬杰：仅有650V的平面栅N-MOSFET。

MOT仁懋：有自己的产品线，覆盖从150V-1500V的平面栅N-MOSFET。

APM永源微：有自己的产品线，覆盖从20V-1500V的平面栅N-MOSFET。同时有平面栅P-MOSFET，从20V到200V。

GOFORD谷峰：有自己的产品线，覆盖从200V-900V的平面栅N-MOSFET。

Lonten龙腾：有自己的产品线，覆盖从400V-800V的平面栅N-MOSFET。

Doingter杜因特：有自己的产品线，覆盖从60V-1500V的平面栅N-MOSFET。

MSemitek美浦森：有自己的产品线，覆盖从400V-650V的平面栅N-MOSFET。

Minos迈诺斯：有自己的产品线，覆盖从40V-1500V的平面栅N-MOSFET，有一个200V的平面栅P-MOSFET。

H&M PowerSemi虹美功率：有自己的产品线，覆盖从200V-1500V的平面栅N-MOSFET。

iSC无锡固电：主要做一些国外大厂老管子的替代料，没有自己的产品线。

Wild Goose威谷：有自己的产品线，覆盖从60V-1500V的平面栅N-MOSFET，同时有平面栅P-MOSFET，从55V到500V。

注意，如果是特高压应用(>1000V)，那么此时MOSFET的Spirito效应(3-4有详细讲)将会变得非常明显。虽然一些老管子和一些厂家的新管子(例如ST和PIP)在数据手册中没有标注出高压下热稳定性的限制，但其仍然存在，这可能是一些高压负载管容易炸的原因之一。

这一类MOSFET可选的耐压范围极宽，但是基本上只有NMOS，没有配对的PMOS。

2-3-老工艺开关MOSFET

上述两种管子比较适合用于线性应用，但是要么不好买要么比较贵，或者既不好买又贵。那有没有什么比较便宜好买的，也能用于线性应用的MOSFET呢？

一些很老的美系/日系管子，虽然本身是为开关用途设计，但是由于使用的是很老的工艺，用于线性用途其实也还不错。

美系：IRFXXXX，最开始为IR公司生产，但现在在被英飞凌收购后，很多老的管子都不产了。不过VISHAY还在生产一些同名的老管子，似乎仍然是老的产线老的工艺，手册内容除了厂家变了之外，其他数据都一样。常见的例如IRF540，IRFP260等。

认准手册DESCRIPTION里面"Third generation Power MOSFETs from…"，有这句话就代表这个MOSFET是老工艺的，可以用于线性用途。(偷偷告诉你，绝大部分电子负载里就是IRFPXXX，大量验证过的自然稳)

HEXFET

日系：2SKXXX，由一系列日本厂家，例如三垦/三洋/松下/NEC/日立/富士/新电元/索尼/三菱/罗姆等等生产；但是在经历了一系列拆分并购之后，现在一般属于瑞萨/东芝的产品线。一般特高压的线性MOSFET(~1500V)会用2SK系列，例如2SK1317这种。这类MOS的命名方式一般是按照发布日期来的，2SK后面的数字越大代表越新，一般用于线性用途，会选择老一些的。

欧洲也有一些很老的管子，例如西门子的一系列，但由于基本非常难买，这里不讨论。

3-常见问题

3-1-直接并联？

啊，各位在学习模电的时候，课堂上老师应该都讲的是，由于MOSFET的正温度特性，可以直接并联。但是真的是这样吗？

MOSFET工作在深欧姆区的时候，例如作为开关完全导通时，这么说确实没有什么问题，此时在温度上升时，由于阈值电压下降带来导通电阻下降的影响，远不如温度上升带来导通电阻上升的影响明显，此时MOSFET可以说就是正温度系数的特性，可以直接并联使用。

但是，对于线性应用来说，千万不能直接并联！即使是同型号同批次的MOSFET，其阈值电压的个体差异也很大，直接并联不能起到很好的均摊功率的作用。如果需要并联MOSFET，一定要加上源极退化电阻来进行均流，此外栅极也要分别串电阻后连在一起。

3-2-源极退化电阻？

在很多应用中，MOSFET都要加一个源极退化电阻(有时也用作电流采样电阻)，通常认为采样电阻在能保证采样信号信噪比的情况下，越小越好，但是对于线性应用来说，反而一个更大的电阻能让MOSFET更加线性。

如果没有源极退化电阻，MOSFET的跨导与漏极电流的关系如下图：(虽然仿真模型不一定准，但是看一个大概的趋势没问题)

而哪怕加上一个200mΩ的源极退化电阻，那么MOSFET的跨导随漏极电流改变就会变小一个数量级：

显然，下图的跨导变化更小，且在相当大的一个范围内跨导都近似恒定。这就让环路补偿变得非常简单了，而且在小电流段内，也不会因为跨导下降太明显而导致环路变得很慢。一个特定阻值的源极退化电阻，可以把MOSFET的跨导最大值，限制在其倒数以下，即，哪怕是很大的MOSFET跑很大的电流，gm接近无穷大，那么此时栅极电压上升多少，电阻上的电压就几乎上升多少，完全被电阻限制住了。

如果继续加大源极退化电阻，那么可以让MOS在更大的区间保持更低的跨导波动。所以，在不影响其他性能且电阻能够承受一定耗散功率的情况下，可以加大一点源极退化电阻，来得到更高的线性。

此外，在一些情况下，带一些感性的源极退化电阻会更有助于稳定性；有时候还会用一个互感器把源极电流作为一个反馈量送到栅极，来抑制震荡。

3-3-驱动？

很多线性应用中，需要用运放去驱动MOSFET做线性恒流源，那么哪种运放适合驱动MOS呢？

低开环输出阻抗

啊，这个很好理解，MOS的栅极差不多就是一个电容，低开环输出阻抗可以降低输出节点上的相移，于是可以使用更低的栅极串联电阻，可以以更强的驱动能力去驱动MOSFET。

很多运放并不会标注这项性能，不过实际可以通过观察输出电压降与输出电流的关系图来反推，下图就是一个低输出阻抗运放的例子：

可以看到，这个运放在输出0mA时与输出20mA时，几乎没有电压差，后面压差增大也只是因为限流。这说明这个运放的输出能力很强。
相对不那么高的带宽

同样，由于MOS的栅极差不多就是一个电容，那么，运放的带宽越高，由输出节点上的电容在带内引起的相移就越大，就需要串联一个更大的电阻来保证环路稳定，那么驱动MOSFET栅极的能力就会下降，所以更高的运放带宽实际上会限制电流源的斜率。
无输入差分电压钳位(对于需要快速变化电流斜率的地方)

对于一些需要快速电流变化的地方(例如用电子负载的阶跃负载)，运放的输入可能会接到一个SPDT模拟开关，这就需要运放是"多路复用器友好"型，也就是两个输入端之间没有钳位二极管。
高压摆率(对于需要快速变化电流斜率的地方)

假设MOSFET的gm很大的情况下，恒流源最大的电流斜率约为运放的摆率除以源极退化电阻除以检流电阻。例如，一个150V/μs摆率的运放，配上一个0.1Ω的检流电阻，那么理论上的最大电流摆率为1.5kA/μs。实际上由于MOSFET的gm有限，在压摆率上要留有一定的余量。

一个小技巧是，可以用磁珠来替代栅极串联的电阻，这样既可以保证低直流阻抗，在运放截止频率附近磁珠又能提供一定的阻抗来起到隔离容性负载的作用，但是磁珠的阻抗特性很复杂，设计时要非常小心。

3-4-只需要关心耗散功率？

对于一些需要在高正向偏压下持续工作在饱和区的MOSFET来说(比如高压电子负载)，尤其需要注意MOSFET的SOA，并不是单管耗散不超限就没事了。大部分这类管子会工作在高正向偏压小电流下，基本都会低于ZTC点，这时管子的热稳定性就尤其重要了。

很多高压MOSFET手册中的SOA没有在高正向偏压下降额，这并不是因为这类MOSFET的热稳定性很好，而是因为厂家压根没测！哪怕是很多知名的大厂也会有这个问题！用之前一定要自己做详细的测试！

关于热稳定性，即Spirito效应：

这里以IXTL2N450为例子，对这种长沟道器件，可以忽略沟道长度调制效应。

下图为其漏极电流与栅极电压的曲线：

可以观察出，在25℃下，其阈值电压约为5V；在125℃下，其阈值电压约为4.2V。那么其阈值电压的温漂大约为-8mV/℃。

按照MOSFET的饱和区电压电流方程，即:

$I_{D}=K_{N}×(V_{GS}-V_{TH})^2$

带入25℃下的数据，即25mA正向偏置时栅极电压约为5.5V，得到 $K_{N}$ 约为0.1。假设其内部由100个小的元胞组成，那么每个元胞的 $K_{N}$ 大约为1m。

那么，假设其工作在2000V正向偏压，25mA正向电流的条件下，其耗散功率约为50W，结温为75℃。

按照MOSFET的饱和区电压电流方程，此时的 $V_{GS}$ 约为5.1V。

假设某一个元胞由于各种原因，温度比其他部分高了25℃，那么此时的 $I_{D}$ 就几乎要翻倍！相应的，耗散功率也会翻倍。

那么，这种功耗越大，温度越高，温度越高，功耗越大的正反馈什么时候能被抑制？

这个与MOSFET元胞之间的热阻有关系，当元胞之间的温度差大到一定程度，使得温度每上升 $ΔT$ ，温升与热阻的积已经等于 $V_{TH}$ 负温度系数正反馈所带来的影响时，MOSFET就处于一种热稳定状态。

此时，可能MOSFET晶圆整体的平均温度只有75℃，但个别元胞与整体的温度差在50℃才能借由均热让MOSFET热稳定。显然此时的SOA会被压缩，MOSFET整体的最高结温也由150℃降到了100℃。

为什么在低正向偏压下Spirito效应不明显？因为低正向偏压时， $V_{GS}$ 比较大， $V_{TH}$ 下降一点导致的 $I_{D}$ 变化不明显，并且此时导阻的正温度系数还能抵消一点 $V_{TH}$ 的负温度系数。

而在高正向偏压时， $V_{GS}$ 很小， $V_{TH}$ 下降一点导致的 $I_{D}$ 变化非常明显，而且此时导阻的的正温度系数产生的影响微乎其微，所以Spirito效应很明显。

以上计算在数值上并不能做到准确，只是大概估算，但是足够解释Spirito效应，也就是在正向高偏压下热不稳定性的原理了。

怎样抑制Spirito效应？

有两个办法，第一个很简单，就是提升元胞一致性，这个与生产工艺强相关。

第二个就是，提升封装的均热能力。

例如，传统的功率MOSFET封装，晶圆一面是金属背板，一面是绑定线；而新式的封装，背面是金属背板正面是铜夹片，相当于原来只有一面有金属均热板，现在两面都有金属均热板，元胞之间热阻降低很多，Spirito效应也就更不明显。

3-5-BJT/IGBT？

对于BJT来说，用于线性用途会有以下几个问题：

二次击穿

BJT是纯正的负温度系数器件，高压正向偏置时热不稳定性会很明显，SOA会非常窄。
电流增益不够

BJT的电流增益通常不会很大，大电流的BJT在小电流区通常能到100出头就不错了，在电流变大后电流增益还会进一步下降，对驱动级的电流输出能力要求比较高。
没有多少在产的功率BJT了，可能只有一些音频功放用管还在产

所以，BJT一般只适合用于低压小电流的应用场景。

而IGBT的主功率管也是BJT，虽然由于前级的MOS存在，解决了电流增益不够的问题，但是二次击穿仍然不可忽视，高压下SOA很窄，不适合用于高压线性场景。低压场景显然MOSFET或BJT是更好的选择，也没必要再用IGBT了。

3-6-碳化硅MOSFET/GaN HEMT？

很多厂家的SiC MOSFET都是平面栅结构，而且SiC晶圆的导热性与耐热性都强，击穿场强也高，听起来似乎很适合做高压线性MOSFET？

并非！有以下几个因素限制了SiC MOSFET：

由于SiC的击穿场强高，所以SiC MOSFET晶圆可以在很小的面积下同时提供高耐压与低导阻，因此一般其晶圆都很小，如下图是一个1200V 30mΩ的SiC MOSFET开盖图：

虽然SiC晶圆导热性好耐热性好，但指望如此小的面积去承受很大的功率，显然不现实。因此一般SiC MOSFET的SOA都不算太宽，不是很适合用于线性应用。
由于SiC MOSFET的导阻通常比较低，这就导致了哪怕在很高的漏极电流下，其也呈现出负温度系数，自均流效果一般，容易热失控。
SiC的晶圆成本很高，是普通硅工艺的很多倍，用于线性应用并不划算。