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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?

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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,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。


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沙发
戈卫东| | 2016-11-11 02:36 | 只看该作者
半桥下管栅极电阻过大很容易直通烧掉。

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