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標題: 理解MOSFET的VTH：柵極感應電壓尖峰，會導致直通損壞嗎？ [打印本頁]

作者: 小融一號 時間: 2016-11-8 14:19
標題: 理解MOSFET的VTH：柵極感應電壓尖峰，會導致直通損壞嗎？
做過同步BUCK變換器的電源工程師，通常會遇到這樣的一個問題：就是測量下管的波形的時候，通常會看到在下管關斷、上管開通的過程中，處于關斷狀態的下管的VGS的電壓波形上，會出現一個感應的電壓尖峰。有很多資料也說明，這個尖峰是因為下管的VDS電壓具有較大的dv/dt，這樣通過Crss耦合到下管的Ciss上，從而產生這個VGS的電壓尖峰，如圖1所示。

圖1：同步BUCK變換器下管感應VGS電壓尖峰

許多工程師習慣性的認為：如果VGS尖峰電壓大于功率MOSFET的閾值電壓VTH，下管就會導通，那么上、下管就會產生直通，也就是所謂的Shoot Through，從而導致開關管的損壞。

VTH，功率MOSFET的閾值電壓，也有些工程師稱之為門坎電壓，就是功率MOSFET的導通電壓，從字面上來理解，如果柵極的驅動電壓VGS到了VTH值，功率MOSFET就會導通，那么這里的導通，是完全導通，還是沒有完全導通？或者說處于一種什么樣的導通狀態？

在回答這些問題之前，讓我們先看看功率MOSFET的數據表中VTH是如何定義的，以及它的特性，從而認識VTH對系統設計的影響。此外有些工程師也注意到，不同的MOSFET數據表中， VTH值并不相同而且差別非常大，那么這又是什么原因？

以前論述功率MOSFET的參數的時候，經常反復的提到一個問題：那就是這些參數的定義的條件。例如AOS用于快充QC次級同步整流SSR的功率MOSFET：AON6260，數據表中，閾值電壓VTH定義為最小的柵極偏置電壓，最小值1.5V，典型值2V，最大值2.5V，測試電路如圖1所示。

可以看到，測試的條件為ID=250uA，也就是漏極和源極電流在250uA的時，測量閾值電壓，這個電流表明源極和漏極間剛剛形成導通的溝道，而不是MOSFET完全導通的狀態，這和許多工程師所認識的VGS到了VTH后MOSFET就完全導通的觀點并不相同。

圖2：VTH測試電路

ID=250uA是標準的測試條件，但有些公司，甚至同一個公司不同的產品，使用不同的測量條件。如果使用不同測試條件，結果會不同，但可以看幾個例子。

(1) IR的IRFB4310和IRFP7430，測量VTH時使用標準的ID=250uA。

IR的FB7540，測量VTH時使用的ID=100uA，為什么突然減小測量的電流呢？

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(2) Infineon，測量VTH時基本上都是使用標準的ID=250uA。

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ID=270uA，應該是筆誤。

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(3) Fairchild，測量VTH時大多產品使用標準的ID=250uA。

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FDMS3006SDC，測量VTH時使用ID=1mA，為什么增大測量的電流呢？

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FDPC8014S，二個功率管封裝在一起，測量VTH時上管使用ID=250uA，下管使用ID=1mA，為什么使用不同的測量電流？

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(4) TOSHIBA的TPHR8504PL，測量VTH時使用的ID=1mA。

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(5) NXP的PSMN2R0，測量VTH時使用的ID=1mA。

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當采用不同的測試電流時，對于實際VTH有什么影響，為什么不同的產品，會采用不同的測量電流，這個問題就留給讀者朋友們吧。

從上面的數據可以看出，即使是下管的尖峰電壓達到VTH，下管所流過的電流非常小，下管處于導通的初始狀態，處于線性區，并沒有完全導通，那么這么小的電流是不足以讓功率MOSFET產生損壞。

一些電動工具的應用中，有些功率MOSFET內部故意地在D、G間加一個穩壓管，當VDS的電壓尖峰超過一定的值后，讓功率MOSFET導通，從而對VDS的尖峰電壓實現箝位，因此這也證明了功率MOSFET工作在線性區的弱直通，并不會讓功率MOSFET產生損壞；有些客戶也會在MOSFET外面的D、G間加類似的穩壓管輔助電路，實現上面的箝位功能。

這也表明：可以利于功率MOSFET的線性區的弱直通的箝位效果，抑制VDS電壓尖峰。但是能量不會憑空產生，也不會憑空消失：功率MOSFET沒有箝位的時候，能量要么通過諧振返回到電源，要么消耗在回路的寄生電阻上；采用箝位電路，能量就消耗在功率MOSFET和箝位電路中，只是改變了能量消耗的方式和路徑。

同步BUCK變換器的下管電流從S流向D，和通常主開關管的電流流向、也就是從D到S的方向不同，這樣下管S的寄生電感會影響到內部實際加在G、S上的真實電壓，以后作者會專門寫文來說明這一問題。

測量的VGS的電壓波形和示波器的取樣和帶寬有關，有時候測量到的VGS和VDS電壓波形保持同相位，如圖1所示；而有時候測量到的VGS和VDS電壓波形的相位錯開，甚至錯開達到180度，就是在VDS上升的過程中，感應的VGS的電壓尖峰為負值，如圖3所示。

圖3中，VDS電壓還沒有上升、dv/dt也沒有到最大值，VGS電壓波形前半段就產生了尖峰，這時候如果用從波形上看到VGS和VTH比較，認定下管可能導通，導致上、下管直通的判斷一定不正確。

圖3中，VDS電壓上升和dv/dt達到最大值過程中，此時VGS卻為負值，那么讀者是否認為，不可能發生直通呢，因為VGS電壓為負呀？如果這個過程中仍然有可能產生直通，那么如何來解釋這個負的VGS波形？用什么有效的方法，來判斷上、下管發生直通呢？

圖3：同步BUCK變換器下管VGS感應電壓尖峰

這時候，上、下管是否產生直通，要結合其它的因素來綜合判斷，如VDS的波形是否產生變形、效率是否發生改變來判斷，特別是效率的改變，是最直接的判據，上、下管真正的直通一定會帶來能量的消耗，從而降低效率，作者以后會進一步的說明。

文章來源：微信公眾號融創芯城（一站式電子元器件、PCB、PCBA購買服務平臺，項目眾包平臺）

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