电源系统低温不开机，你遇到过吗：理解VTH温度系数 俄罗斯, 实验室, 工程师, 电源, 产品

掘金小分队

在理解功率MOSFET的VTH的特性之前，先看一个在实际客户产品应用中遇到的问题，了解这个不起眼的、却有些独特的VTH对系统设计的影响。

例：国内某通讯公司，做了一批基站系统，出口到俄罗斯，7、8份的时候，就有一些产品开始返回，原因是系统不能开机，换了另外的系统板后，系统能工作正常。有问题的系统板在国内的实验室测试，客户的工程师发现能够正常工作没有问题，以为是个例，没有太关注。到了10、11月，发现不能开机工作的系统越来越多，客户工程师才开始重视这个问题，找到功率MOSFET的供应商，对方的FAE说功率MOSFET都正常，没有问题，于是就不再处理。由于系统板上使用了当时作者所在公司的PWM控制器，客户也找到作者去解决问题，作者经过检查，发现不开机就和功率MOSFET的VTH有关，和客户讨论后给出了二种方案，采用其中一种方案问题得以解决。

这个问题和VTH的特性以及温度系数有关，VTH的取值范围对应着三种不同驱动电压类型的功率MOSFET，下面就来认识这三种类型的功率MOSFET。

1、功率MOSFET驱动电压类型

1.1 通用驱动的功率MOSFET

功率MOSFET的栅极氧化层厚度和沟道掺杂集中度，决定了阈值电压VTH的大小。在很多电力电子和电源系统中，使用得最多的是通用驱动的功率MOSFET，也就是使用12V或15V的栅极驱动电压。这种类型功率MOSFET的VGS的额定值为±30V，VTH中间值通常在3-4V，不同的产品，VTH中间值也会不同，上、下限值也会在一定的范围内变化。


AON7458，VTH下限、中间值和上限：3.1V、3.7V、4.3V。


AOT10N60，VTH下限、中间值和上限：3V、4V、4.5V。


FDMS86181，VTH下限、中间值和上限：2V、3.1V、4V。


IRFB4310，VTH下限、上限：2V、4V，中间值没有标出。


1.2 逻辑电平驱动的功率MOSFET

逻辑电平驱动的功率MOSFET，通常驱动电压是5V，这种电平驱动的功率MOSFET得到广泛应用的原因在于：低电平驱动可以降低驱动损耗，同时可以提高驱动速度，适应于非隔离的DCDC变换器高频高效应用的发展趋势。


笔机本电脑、台式机主板、通讯系统板等应用中，具有多路不同的电源供电压，如12V、5V、3.3V、2.5V、1.8V、1.2V等，因此需要多路非隔离的DCDC变换器。高频可以降低电容、电感元件的体积，同时高效符合节能减排的政策要求。这些应用很大程度上推动了逻辑电平驱动的功率MOSFET的大量使用。


这种类型功率MOSFET的VGS的额定值为±20V，VTH中间值通常在1.5-2V。有些产品不标中间值，也有些产品不标上、限值。


有时候也会发现有些产品的VGS的额定值为±20V，类型却是通用驱动的功率MOSFET，这主要是为了在设计过程中平衡一些参数的需要，因此使用的时候要格外小心。




AON6512，VTH下限、中间值和上限：1V、1.5V、2V。


AON6590，VTH下限、中间值和上限：1.3V、1.8V、2.3V。


TPHR8504，VTH中间值就没有标出。


1.3 次逻辑电平驱动的功率MOSFET


次逻辑电平驱动的功率MOSFET，通常驱动电压是3.3V或更低，这种电平驱动的功率MOSFET主要应用于手机、手持式设备以及一些电池供电的系统。


这种类型功率MOSFET的VGS的额定值为±12V或±10V，有些产品绝对值甚至更低。VTH中间值通常在0.5-1V。




AON3400，VTH下限、中间值和上限：0.65V、1.05V、1.45V。


AON2400，VTH下限、中间值和上限：0.25V、0.46V、0.75V。


2、驱动电压选择及VTH的温度系数


由于功率MOSFET的VTH具有不同的值，对应着不同的驱动电压，因此在选择MOSFET驱动电压的时候要特别注意。数据表中VTH是在IDSS=250uA或者1mA条件下的测量值，而且VTH具有一定波动的上、下限的范围，使用的驱动电压稍稍大于VTH并不能保证功率MOSFET的完全开通，同时VTH是一个具有温度系数的参考，这样在使用的过程中就会产生问题。


功率MOSFET的VTH具有负温度系数，数据表中有些产品直接列出温度系数值，有些产品示出了温度系数的曲线。和VTH一样，使用的测量条件不同，这样就会影响实际应用过程中对于驱动的正确判断。




FDMS86181直接列出VTH的温度系数值。


IRFB3410，列出了VTH温度系数的曲线.


不同的测量条件都列出来，非常方便使用。可以看到，IDSS越大，测量的VTH也越大。


TPHR8504，测量条件IDSS=1mA。


STB10N60，使用规一化的值。


功率MOSFET的VTH具有负温度系数，温度越低，VTH的电压越高，如果驱动电压选择不适合，虽然正常温度下可以正常工作，但是在低温的时候可能导致功率MOSFET不能完全开通，系统不能正常工作。


另一方面，温度越高，VTH的电压就会越低，功率MOSFET在高负载或高温环境下VTH的电压就会降低，在感应VGS尖峰电压的作用下，就增加了栅极误触发的可能性，导致功率MOSFET误导通或桥臂上、下管发生直通。








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