理解MOSFET的VTH：柵極感應(yīng)電壓尖峰，會(huì)導(dǎo)致直通損壞嗎？

小融一號(hào)

做過(guò)同步BUCK變換器的電源工程師，通常會(huì)遇到這樣的一個(gè)問(wèn)題：就是測(cè)量下管的波形的時(shí)候，通常會(huì)看到在下管關(guān)斷、上管開(kāi)通的過(guò)程中，處于關(guān)斷狀態(tài)的下管的VGS的電壓波形上，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)感應(yīng)的電壓尖峰。有很多資料也說(shuō)明，這個(gè)尖峰是因?yàn)橄鹿艿腣DS電壓具有較大的dv/dt，這樣通過(guò)Crss耦合到下管的Ciss上，從而產(chǎn)生這個(gè)VGS的電壓尖峰，如圖1所示。

圖1：同步BUCK變換器下管感應(yīng)VGS電壓尖峰

許多工程師習(xí)慣性的認(rèn)為：如果VGS尖峰電壓大于功率MOSFET的閾值電壓VTH，下管就會(huì)導(dǎo)通，那么上、下管就會(huì)產(chǎn)生直通，也就是所謂的Shoot Through，從而導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管的損壞。

VTH，功率MOSFET的閾值電壓，也有些工程師稱(chēng)之為門(mén)坎電壓，就是功率MOSFET的導(dǎo)通電壓，從字面上來(lái)理解，如果柵極的驅(qū)動(dòng)電壓VGS到了VTH值，功率MOSFET就會(huì)導(dǎo)通，那么這里的導(dǎo)通，是完全導(dǎo)通，還是沒(méi)有完全導(dǎo)通？或者說(shuō)處于一種什么樣的導(dǎo)通狀態(tài)？

在回答這些問(wèn)題之前，讓我們先看看功率MOSFET的數(shù)據(jù)表中VTH是如何定義的，以及它的特性，從而認(rèn)識(shí)VTH對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。此外有些工程師也注意到，不同的MOSFET數(shù)據(jù)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(shù)的時(shí)候，經(jīng)常反復(fù)的提到一個(gè)問(wèn)題：那就是這些參數(shù)的定義的條件。例如AOS用于快充QC次級(jí)同步整流SSR的功率MOSFET：AON6260，數(shù)據(jù)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(cè)試電路如圖1所示。

可以看到，測(cè)試的條件為ID=250uA，也就是漏極和源極電流在250uA的時(shí)，測(cè)量閾值電壓，這個(gè)電流表明源極和漏極間剛剛形成導(dǎo)通的溝道，而不是MOSFET完全導(dǎo)通的狀態(tài)，這和許多工程師所認(rèn)識(shí)的VGS到了VTH后MOSFET就完全導(dǎo)通的觀點(diǎn)并不相同。

圖2：VTH測(cè)試電路

ID=250uA是標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試條件，但有些公司，甚至同一個(gè)公司不同的產(chǎn)品，使用不同的測(cè)量條件。如果使用不同測(cè)試條件，結(jié)果會(huì)不同，但可以看幾個(gè)例子。

(1) IR的IRFB4310和IRFP7430，測(cè)量VTH時(shí)使用標(biāo)準(zhǔn)的ID=250uA。

IR的FB7540，測(cè)量VTH時(shí)使用的ID=100uA，為什么突然減小測(cè)量的電流呢？

(2) Infineon，測(cè)量VTH時(shí)基本上都是使用標(biāo)準(zhǔn)的ID=250uA。

ID=270uA，應(yīng)該是筆誤。

(3) Fairchild，測(cè)量VTH時(shí)大多產(chǎn)品使用標(biāo)準(zhǔn)的ID=250uA。

FDMS3006SDC，測(cè)量VTH時(shí)使用ID=1mA，為什么增大測(cè)量的電流呢？

FDPC8014S，二個(gè)功率管封裝在一起，測(cè)量VTH時(shí)上管使用ID=250uA，下管使用ID=1mA，為什么使用不同的測(cè)量電流？

(4) TOSHIBA的TPHR8504PL，測(cè)量VTH時(shí)使用的ID=1mA。

(5) NXP的PSMN2R0，測(cè)量VTH時(shí)使用的ID=1mA。

當(dāng)采用不同的測(cè)試電流時(shí)，對(duì)于實(shí)際VTH有什么影響，為什么不同的產(chǎn)品，會(huì)采用不同的測(cè)量電流，這個(gè)問(wèn)題就留給讀者朋友們吧。

從上面的數(shù)據(jù)可以看出，即使是下管的尖峰電壓達(dá)到VTH，下管所流過(guò)的電流非常小，下管處于導(dǎo)通的初始狀態(tài)，處于線性區(qū)，并沒(méi)有完全導(dǎo)通，那么這么小的電流是不足以讓功率MOSFET產(chǎn)生損壞。

一些電動(dòng)工具的應(yīng)用中，有些功率MOSFET內(nèi)部故意地在D、G間加一個(gè)穩(wěn)壓管，當(dāng)VDS的電壓尖峰超過(guò)一定的值后，讓功率MOSFET導(dǎo)通，從而對(duì)VDS的尖峰電壓實(shí)現(xiàn)箝位，因此這也證明了功率MOSFET工作在線性區(qū)的弱直通，并不會(huì)讓功率MOSFET產(chǎn)生損壞；有些客戶(hù)也會(huì)在MOSFET外面的D、G間加類(lèi)似的穩(wěn)壓管輔助電路，實(shí)現(xiàn)上面的箝位功能。

這也表明：可以利于功率MOSFET的線性區(qū)的弱直通的箝位效果，抑制VDS電壓尖峰。但是能量不會(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失：功率MOSFET沒(méi)有箝位的時(shí)候，能量要么通過(guò)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(kāi)關(guān)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(huì)影響到內(nèi)部實(shí)際加在G、S上的真實(shí)電壓，以后作者會(huì)專(zhuān)門(mén)寫(xiě)文來(lái)說(shuō)明這一問(wèn)題。

測(cè)量的VGS的電壓波形和示波器的取樣和帶寬有關(guān)，有時(shí)候測(cè)量到的VGS和VDS電壓波形保持同相位，如圖1所示；而有時(shí)候測(cè)量到的VGS和VDS電壓波形的相位錯(cuò)開(kāi)，甚至錯(cuò)開(kāi)達(dá)到180度，就是在VDS上升的過(guò)程中，感應(yīng)的VGS的電壓尖峰為負(fù)值，如圖3所示。

圖3中，VDS電壓還沒(méi)有上升、dv/dt也沒(méi)有到最大值，VGS電壓波形前半段就產(chǎn)生了尖峰，這時(shí)候如果用從波形上看到VGS和VTH比較，認(rèn)定下管可能導(dǎo)通，導(dǎo)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(dá)到最大值過(guò)程中，此時(shí)VGS卻為負(fù)值，那么讀者是否認(rèn)為，不可能發(fā)生直通呢，因?yàn)閂GS電壓為負(fù)呀？如果這個(gè)過(guò)程中仍然有可能產(chǎn)生直通，那么如何來(lái)解釋這個(gè)負(fù)的VGS波形？用什么有效的方法，來(lái)判斷上、下管發(fā)生直通呢？

圖3：同步BUCK變換器下管VGS感應(yīng)電壓尖峰

這時(shí)候，上、下管是否產(chǎn)生直通，要結(jié)合其它的因素來(lái)綜合判斷，如VDS的波形是否產(chǎn)生變形、效率是否發(fā)生改變來(lái)判斷，特別是效率的改變，是最直接的判據(jù)，上、下管真正的直通一定會(huì)帶來(lái)能量的消耗，從而降低效率，作者以后會(huì)進(jìn)一步的說(shuō)明。

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