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MOS管开关时的米勒效应——详细分析

前言

对于MOSFET,米勒效应(Miller Effect)指在反相放大的作用下,输入输出之间的分布电容(栅漏电容)放大等效输入电容值的效果。由于米勒效应,MOSFET在栅极驱动过程中,会形成平台电压,导致开关时间延长,开关损耗增加MOS管道的正常工作有很大的不利影响。在这里记录下你的学习过程。如有错误,请纠正。

提示:以下是本篇文章正文内容,下面案例可供参考

米勒效应是什么?(Miller Effect)?

在这里插入图片描述

将图(a)中X,Y两点的阻抗等效为图(b) 可以推出 同样的, 假设增益为-Av 理想的反向电压放大器 在放大器的输出和输入端之间连接一个电阻Z 的电容, 可以推出: 把阻抗Z 替换为容值C 的电容, 由此可见,反向电压放大器增加了电路的输入电容,放大系数为(1 Av)。

二、MOSFET寄生电容器的结构和分布

1.MOSFET结构

这是垂直型MOSFET它是由P区域和 N 由源区组成的双扩散结构。漏极(drain)和源极(source)分别放在晶圆的两面,这样的结构适合制造大功率器件。因为可以增加外延层(epitaxial layer)的长度,来增加漏源极之间的电流等级,提高器件的击穿电压能力。此外,从图中可以清楚地看到MOSFET寄生体二极管。 MOSFET寄生电容主要包括栅源电容(Cgs)、栅漏电容(Cgd)以及泄漏电容(Cds)。从图2中左图看,Cds由漏极与源极之间的结电容形成,Cgd耦合电容器间的耦合电容。Cgs由栅极和源极金属电极之间的电容比较复杂Co、栅极和 N 电容器在源极扩散区CN ,以及栅极和扩散区P区的电容Cp组成。 在一般设备手册中,以下形式给出MOSFET寄生电容,

2.米勒平台形成的基本原理

MOSFET栅极驱动过程可以简单地理解为驱动源MOSFET的输入电容(主要是栅源极电容Cgs)充放电过程;当Cgs达到门槛电压后, MOSFET会进入开放状态;当MOSFET开通后,Vds开始下降,Id此时开始上升MOSFET但由于米勒效应,Vgs会持续一段时间不上升,此时Id已经达到了最大,而且Vds直到米勒电容充满电,它还在继续下降,Vgs此时,它又上升到驱动电压值,此时MOSFET此时进入电阻区Vds彻底降下来,开通结束。

因为米勒电容器被阻止了Vgs从而阻止了上升Vds下降会延长损失的时间。(Vgs上升时,导通电阻下降,导通电阻下降Vds下降) 米勒效应在MOS驱动中臭名昭著,他是由MOS米勒效应是由管道米勒电容引起的MOS管开通过程中,GS电压上升到某个电压值后GS电压有稳定值,然后GS电压再次上升,直到完全导通。为什么会有稳定值?因为,在MOS开通前,D极电压大于G极电压,MOS寄生电容CgdG极和其中的电荷中和需要注入储存的电量MOS完全导通后G极电压大于D极电压。米勒效应会严重增加MOS开放损失。(MOS不能很快进入开关状态。

所以有所谓的图腾驱动!MOS时,Cgd损失越小,损失越小。米勒效应不能完全消失。

MOSFET其实米勒平台在中间就是MOSFET典型的放大区标志。


3.米勒平台形成的详细过程

米勒效应指在MOS米勒平台将在管道开通过程中产生,原理如下。

理论上,在G级和S级之间添加足够大的驱动电路可以消除米勒效应。但开关时间会很长。一般推荐值加0.1Ciess电容值是好的。

米勒平台是下图粗黑线中的平缓部分。 这张图显示了栅荷系数 第一个转折点:Vds开始导通。Vds的变化通过Cgd与驱动源的内阻形成微分。Vds线性微分是近似线性下降的常数Vgs产生平台。

因为米勒平台MOSFET 的G、D 由两端的电容引起的,即mos datasheet里的Crss 。

这个过程是给Cgd充电,所以Vgs变化很小,当Cgd充到Vgs水平时,Vgs开始继续上升。

Cgd在mos刚开的时候,通过mos快速放电,然后被驱动电压反向充电,分担驱动电流Cgs上升电压变慢,平台出现。

t0~t1: Vgs from 0 to Vth.Mosfet没通.寄生二极管的电流Df.从 t从0点开始,栅极驱动电流给栅源电容Cgs充电。Vgs从0V上升到Vgs(th)时,MOS管道处于截止状态,Vds保持不变,Id为零。

t1~t2: Vgs from Vth to Va. Id 从t1时刻开始,MOS管因为Vgs超过阈值电压并开始导通。Id电感电流开始上升,二极管继续流动DF部分电流转向流入MOS但此时二极管仍导通,MOS两端电压仍然被二极管钳位保持不变。驱动电流只给栅源电容Cgs充电。到t2时刻,Id上升到和电感电流一样,换流结束。

在t1-t2这段时间内,电感电流上升过程中Vds会稍微下降。这是因为Id上升的di/dt会在引线电感等杂散电感上形成压降,所以MOS管两端的电压会稍稍下降。

这段时间内,MOS管处于饱和区。 t2~t3: Vds下降.引起电流继续通过Cgd. Vdd越高越需要的时间越长. 从t2时刻开始,由于MOSFET中的电流已经上升达到电感负载中的电流,MOS管两端的电压不再被VDD钳位。因此,漏源之间的反型层沟道也不再被VDD束缚而呈楔形分布,Vds开始降低 ,栅极驱动电流开始给Cgd充电。驱动电流全部用来给Cgd充电,栅极电压Vgs保持不变呈现出一段平台期,这个平台称为米勒平台。

米勒平台一直维持到Vds电压降低到MOS管进入线性区。可以注意到,在米勒平台期,Vds电压下降的斜率分为两段,这与MOSFET的结构有关。在导通的不同阶段Cgd电容发生变化的缘故。

在这个阶段,MOS管仍然处于饱和区。 Ig 为驱动电流.

开始降的比较快.当Vdg接近为零时,Cgd增加.直到Vdg变负,Cgd增加到最大.下降变慢.

在进入米勒平台前,漏源电压由于被二极管钳位保持VDD不变,MOS管的导电沟道处于夹断状态。当MOSFET的电流和电感电流相同时,MOSFET的漏极不再被钳位。这也就意味着,导电沟道由于被VDD钳位而导致的夹断状态被解除,导电沟道靠近漏极侧的沟道渐渐变宽,从而使沟道的导通电阻降低。在漏极电流Id不变的情况下,漏源电压Vds就开始下降。

当漏源电压Vds下降后,栅极驱动电流就开始给米勒电容Cgd充电。几乎所有的驱动电流都用来给Cgd充电,所以栅极电压保持不变。这个状态一直维持到,沟道刚好处于预夹断状态,MOS管进入线性电阻区。

t3~t4: Mosfet 完全导通,运行在电阻区.Vgs继续上升到Vgg. 从t3时刻开始,MOSFET工作在线性电阻区。栅极驱动电流同时给Cgs和Cgd充电,栅极电压又开始继续上升。由于栅极电压增加,MOSFET的导电沟道也开始变宽,导通压降会进一步降低。当Vgs增加到一定电压时,MOS管进入完全导通状态。

现在总结一下,在MOSFET驱动过程中,它是怎么打开的。图9标示了在开通时不同阶段对应在MOSFET输出曲线的位置。当Vgs超过其阈值电压(t1)后,Id电流随着Vgs的增加而上升。当Id上升到和电感电流值时,进入米勒平台期(t2-t3)。这个时候Vds不再被VDD钳位,MOSFET夹断区变小,直到MOSFET进入线性电阻区。进入线性电阻区(t3)后,Vgs继续上升,导电沟道也随之变宽,MOSFET导通压降进一步降低。MOSFET完全导通(t4)。

这个整个平台期间,可以认为是MOS 正处在放大期。 前一个拐点前:MOS 截止期,此时Cgs充电,Vgs向Vth逼进。 前一个拐点处:MOS 正式进入放大期 后一个拐点处:MOS 正式退出放大期,开始进入饱和期。

本文大多参考: 知乎Chrios链接: link. 张飞实战电子:link.

标签: 二极管31df4

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