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理解MOSFET的VTH：栅极感应电压尖峰，会导致直通损坏吗？

2016-11-8 17:14:57 17412 测量电源

0 做过同步BUCK变换器的电源工程师，通常会遇到这样的一个问题：就是测量下管的波形的时候，通常会看到在下管关断、上管开通的过程中，处于关断状态的下管的VGS的电压波形上，会出现一个感应的电压尖峰。有很多资料也说明，这个尖峰是因为下管的VDS电压具有较大的dv/dt，这样通过Crss耦合到下管的Ciss上，从而产生这个VGS的电压尖峰，如图1所示。图1：同步BUCK变换器下管感应VGS电压尖峰许多工程师习惯性的认为：如果VGS尖峰电压大于功率MOSFET的阈值电压VTH，下管就会导通，那么上、下管就会产生直通，也就是所谓的Shoot Through，从而导致开关管的损坏。 VTH，功率MOSFET的阈值电压，也有些工程师称之为门坎电压，就是功率MOSFET的导通电压，从字面上来理解，如果栅极的驱动电压VGS到了VTH值，功率MOSFET就会导通，那么这里的导通，是完全导通，还是没有完全导通？或者说处于一种什么样的导通状态？在回答这些问题之前，让我们先看看功率MOSFET的数据表中VTH是如何定义的，以及它的特性，从而认识VTH对系统设计的影响。此外有些工程师也注意到，不同的MOSFET数据表中， VTH值并不相同而且差别非常大，那么这又是什么原因？以前论述功率MOSFET的参数的时候，经常反复的提到一个问题：那就是这些参数的定义的条件。例如AOS用于快充QC次级同步整流SSR的功率MOSFET：AON6260，数据表中，阈值电压VTH定义为最小的栅极偏置电压，最小值1.5V，典型值2V，最大值2.5V，测试电路如图1所示。可以看到，测试的条件为ID=250uA，也就是漏极和源极电流在250uA的时，测量阈值电压，这个电流表明源极和漏极间刚刚形成导通的沟道，而不是MOSFET完全导通的状态，这和许多工程师所认识的VGS到了VTH后MOSFET就完全导通的观点并不相同。图2：VTH测试电路 ID=250uA是标准的测试条件，但有些公司，甚至同一个公司不同的产品，使用不同的测量条件。如果使用不同测试条件，结果会不同，但可以看几个例子。 (1) IR的IRFB4310和IRFP7430，测量VTH时使用标准的ID=250uA。 IR的FB7540，测量VTH时使用的ID=100uA，为什么突然减小测量的电流呢？ (2) Infineon，测量VTH时基本上都是使用标准的ID=250uA。 ID=270uA，应该是笔误。 (3) Fairchild，测量VTH时大多产品使用标准的ID=250uA。 FDMS3006SDC，测量VTH时使用ID=1mA，为什么增大测量的电流呢？ FDPC8014S，二个功率管封装在一起，测量VTH时上管使用ID=250uA，下管使用ID=1mA，为什么使用不同的测量电流？ (4) TOSHIBA的TPHR8504PL，测量VTH时使用的ID=1mA。 (5) NXP的PSMN2R0，测量VTH时使用的ID=1mA。当采用不同的测试电流时，对于实际VTH有什么影响，为什么不同的产品，会采用不同的测量电流，这个问题就留给读者朋友们吧。从上面的数据可以看出，即使是下管的尖峰电压达到VTH，下管所流过的电流非常小，下管处于导通的初始状态，处于线性区，并没有完全导通，那么这么小的电流是不足以让功率MOSFET产生损坏。一些电动工具的应用中，有些功率MOSFET内部故意地在D、G间加一个稳压管，当VDS的电压尖峰超过一定的值后，让功率MOSFET导通，从而对VDS的尖峰电压实现箝位，因此这也证明了功率MOSFET工作在线性区的弱直通，并不会让功率MOSFET产生损坏；有些客户也会在MOSFET外面的D、G间加类似的稳压管辅助电路，实现上面的箝位功能。这也表明：可以利于功率MOSFET的线性区的弱直通的箝位效果，抑制VDS电压尖峰。但是能量不会凭空产生，也不会凭空消失：功率MOSFET没有箝位的时候，能量要么通过谐振返回到电源，要么消耗在回路的寄生电阻上；采用箝位电路，能量就消耗在功率MOSFET和箝位电路中，只是改变了能量消耗的方式和路径。同步BUCK变换器的下管电流从S流向D，和通常主开关管的电流流向、也就是从D到S的方向不同，这样下管S的寄生电感会影响到内部实际加在G、S上的真实电压，以后作者会专门写文来说明这一问题。测量的VGS的电压波形和示波器的取样和带宽有关，有时候测量到的VGS和VDS电压波形保持同相位，如图1所示；而有时候测量到的VGS和VDS电压波形的相位错开，甚至错开达到180度，就是在VDS上升的过程中，感应的VGS的电压尖峰为负值，如图3所示。图3中，VDS电压还没有上升、dv/dt也没有到最大值，VGS电压波形前半段就产生了尖峰，这时候如果用从波形上看到VGS和VTH比较，认定下管可能导通，导致上、下管直通的判断一定不正确。图3中，VDS电压上升和dv/dt达到最大值过程中，此时VGS却为负值，那么读者是否认为，不可能发生直通呢，因为VGS电压为负呀？如果这个过程中仍然有可能产生直通，那么如何来解释这个负的VGS波形？用什么有效的方法，来判断上、下管发生直通呢？图3：同步BUCK变换器下管VGS感应电压尖峰这时候，上、下管是否产生直通，要结合其它的因素来综合判断，如VDS的波形是否产生变形、效率是否发生改变来判断，特别是效率的改变，是最直接的判据，上、下管真正的直通一定会带来能量的消耗，从而降低效率，作者以后会进一步的说明。 0
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潘工 · 2016-11-8 20:00:33 沙发我们手机屏就是用的tft做像素开关管，vgs要大于开启电压的2到3倍才会完全导通

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