MOS米勒效应详解

能否充分理解MOS管米勒效应很大程度上影响实际问题的解决以及电路原理的分析效果。

  • 米勒效应的影响:

MOSFET的栅极驱动过程可以理解为驱动源对MOSFET的输入电容(主要是栅源极电容Cgs)的充放电过程;当Cgs达到门槛电压之后,MOSFET进入开通状态;MOSFET开通后,Vds开始下降,Id开始上升,此时MOSFET进入饱和区;但由于米勒效应,Vgs会持续一段时间不再上升,此时Id已经达到最大,而Vds还在继续下降,直到米勒电容充满电,Vgs又上升到驱动电压的值,此时MOSFET进入电阻区,此时Vds彻底降下来,开通结束。

米勒效应在MOS驱动中臭名昭著,它是由MOS管的米勒电容引发的米勒效应,在MOS管开通过程中,GS电压上升到某一电压后GS电压有一段稳定值,过后GS电压又开始上升直至完全导通。

为什么这段会有稳定值呢?因为在MOS开通前,D极电压大于G极电压,MOS寄生电容Cgd储存的电量需要在其导通时注入G极与其中的电荷中和,因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的开通损耗。(MOS管不能很快得进入开关状态),所以就出现了所谓的图腾驱动!!!选择MOS时,Cgd越小开通损耗就越小。米勒效应不可能完全消失。

MOSFET中的米勒平台实际上就是MOSFET处于“放大区”的典型标志,用示波器测量GS电压,可以看到在电压上升过程中有一个平台或凹坑,这就是米勒平台。

  • 米勒效应的原理:

米勒效应指在MOS管开通过程中会产生米勒平台,原理如下:

理论上驱动电路在G级和S级之间加足够大的电容可以消除米勒效应。但此时开关时间会拖的很长。一般推荐值加0.1Ciss的电容值是有好处的!!!

在手册中,Ciss = Cgs + Cgd;Coss = Cds + Cgd;Crss = Cgd。

下图中粗黑线中那个平缓部分即为米勒平台:

下图为栅荷系数图:

在第一个转折点处:Vds开始导通,Vds的变化通过Cgd和驱动源的内阻形成一个微分。由于Vds近似线性下降,线性的微分是个常数,从而在Vgs处产生一个平台。米勒平台是由于MOS的gd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水平的时候,Vgs才开始继续上升。Cgd在MOS刚开通的时候,通过MOS快速放电,然后被驱动电压反向充电,分担了驱动电流,使得Cgs上的电压上升变缓,出现平台。

The graph of Vgs(t), iG(t), Vds(t), iD(t) when turn on

t0~t1 : Vgs from 0 to Vgs(th)——MOSFET没通,电流由寄生二极管Df通过,iG如下图黑线所示。

t1~t2 : Vgs from Vgs(th) to Va——Id电流开始通过,其流向如下图黑线所示:

t2~t3 : Vds下降,引起电流继续通过Cgd,Vdd越高需要的时间越长。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,iG电流流向如下图黑线所示:

t3~t4 : MOSFET完全导通,运行在电阻区,Vgs继续上升到Vgg。iG电流流向如下图黑线所示:

平台后期,Vgs继续增大,由于MOS饱和了,Ids变化很小;平台期间,MOS可以认为正处在放大期。

前一个拐点前:MOS处于截止期,此时Cgs进行充电,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。

当斜率为dt的电压V施加到电容C上时(如驱动器的输出电压),将会增大电容内的电流:

                                         I = C x dV/dt                                  (1)

因此,向MOSFET施加电压时,将产生输入电流Igate = I1 + I2,如下图所示:

在右侧电压节点上利用式(1),可得到:

I1 = Cgd x d(Vgs – Vds) / dt

= Cgd x (dVgs / dt – dVds / dt)                                                         (2)

I2 = Cgs x d(Vgs / dt)                                                                           (3)

如果在MOSFET上施加栅-源电压Vgs,其漏-源电压Vds就会下降(即使是呈非线性下降)。因此,可以将连接这两个电压的负增益定义为:

Av = -Vds / Vgs                                                                                        (4)

将式(4)代入式(2)中,可得:

I1 = Cgd x (1 + Av) dVgs / dt                                                               (5)

在转换(导通或关断)过程中,栅-源极的总等效电容Ceq为:

Igate = I1 + I2

= (Cgd x (1 + Av) + Cgs) x dVgs / dt = Ceq x dVgs / dt             (6)

式中(1 + Av)这一项被称作米勒效应,它描述了电子器件中输入和输出之间的电容反馈。当栅-漏电压接近于零时,将会产生米勒效应。

Cds分流最厉害的阶段是在放大区,Why?因为这个阶段Vd变化最剧烈。平台恰恰是在这个阶段形成。可理解为:门电流Igate完全被Cds吸走,而没有电流流向Cgs。

当Cgd通过MOS放电结束后(即在平台区Cgd先放电然后Vgs给它充电),MOS进入了饱和阶段,Vd变化缓慢。虽然Vgs的增长也能够让部分电流流向Cds,但主要的门电流是流向Cgs。门电流的分流比:I1 : I2 = Cds : Cgs。

当MOS放电结束后,近似地认为门电流全部流过Cgs,因此Vgs重新开始增长,如下图所示

Vgs下降过程中同样会出现米勒平台,图形为上图的镜像,由Vgg下降至Va,经过一段时间的停留,从Va逐渐下降到Vgs(th)以及最终的0。

 

 

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