直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?

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。在很多电力电子和直流开关电源系统中,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。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


AOT10N60,VTH下限、中间值和上限:3V、4V、4.5V。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


FDMS86181,VTH下限、中间值和上限:2V、3.1V、4V。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


IRFB4310,VTH下限、上限:2V、4V,中间值没有标出。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


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,具有多路不同的直流开关电源供电压,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。

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AON6590,VTH下限、中间值和上限:1.3V、1.8V、2.3V。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


TPHR8504,VTH中间值就没有标出。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


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。

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

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


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。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


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。

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TPHR8504,测量条件IDSS=1mA。

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STB10N60,使用规一化的值。

直流开关电源系统低温不开机与VTH温度系数的关系该如何理解?


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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