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MOSFET米勒效应详解

2022-7-29 13:25| 发布者: 闪电| 查看: 3| 评论: 0

摘要: 1. 米勒效应:在电子学中,反相放大电路中,输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用,其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍,其中K是该级放大电路电压放大倍数。对于MOSFET,其电容模型如下:MOSFET的 ...
1.  米勒效应:

在电子学中,反相放大电路中,输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用,其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍,其中K是该级放大电路电压放大倍数。对于MOSFET,其电容模型如下:


MOSFET的三极存在以下三个电容,分别是:Cgs,Cgd,Cds,输入电容Ciss=Cgs+Cgd,输出电容Coss=Cgd+Cds,反向传输电容Crss=Cgd,也叫米勒电容。

由于米勒电容的存在,MOSFET驱动波形在开通和关断过程中,会有一个“平台”,在一定时间内,驱动电压是不变的。这就是臭名昭著的“米勒平台”。


2. 米勒效应形成的原理


假设一个增益为-Av的理想电压放大器如图所示,在放大器的输出和输入端之间连接一个阻抗为 Z的电阻网络。定义输入电流为Ii(假设放大器的输入电流为0),输入阻抗为Zin,那么有如下的等式关系:


由此可见,电压放大器增加了电路的输入电容,并且放大系数为(1+Av) 。这个效应称之为米勒效应。再联系到我们的 MOSFET,加入寄生电容的原理图可以由下左图来表示。根据 MOSFET 的小信号模型,MOSFET形成了一个反向电压放大器,其等效电路可以由下图来表示。


3. 米勒效应分析

下图是MOSFET开启阶段,MOS的各个波形。

其中Vgs是栅源驱动电压,Vds是MOS漏极电压,ig是驱动电流,id是漏源电流。


以下是MOS管开通的四个过程。

t0—t1阶段


这个过程中,驱动电流ig为Cgs充电,Vgs上升,Vds和Id保持不变。一直到t1时刻,Vgs上升到阈值开启电压Vg(th)。在t1时刻以前,MOS处于截止区

t1—t2阶段


t1时刻,MOS管就开始导通了,也就标志着Id要开始上升了。这个时间段内驱动电流仍然是为Cgs充电,Id逐渐上升,在上升的过程中Vds会稍微有一些下降,这是因为下降的di/dt在杂散电感上面形成一些压降。从t1时刻开始,MOS进入了饱和区。在饱和有转移特性:Id=Vgs*Gm。其中Gm是跨导,只要Id不变Vgs就不变。Id在上升到最大值以后,而此时又处于饱和区,所以Vgs就会维持不变。

t2—t3阶段


从t2时刻开始,进入米勒平台时期,米勒平台就是Vgs在一段时间几乎维持不动的一个平台。此时漏电流Id最大。且Vgs的驱动电流转移给Cgd充电,Vgs出现了米勒平台,Vgs电压维持不变,然后Vds就开始下降了。

MOSFET中的米勒平台实际上就是MOSFET处于“放大区”的典型标志。

t3~t4阶段

当米勒电容Cgd充满电时,Vgs电压继续上升,直至MOS管完全导通。

所以在米勒平台,是Cgd充电的过程,这时候Vgs变化很小,当CgdCgs处在同等水平时,Vgs才开始继续上升。


4. 米勒效应的危害和改进
1) 米勒效应会产生米勒平台,也就是开通阶段阻碍驱动电压的上升,关断阶段阻碍驱动电压的下降,延长了开关的时间,导致损耗严重,降低了电路的效率。再者,MOSFET不能快速地开关,易造成稳定性降低。

2) 对于有上下管驱动的电路,有上下管同时导通的危险,见下面分析:


上管开通下管关断时的测试波形

在上管开通和关断时,下管栅极上会产生一个尖峰,尖峰的电压增加了上下管同时导通的风险,严重时会造成非常大的电流同时流过上下管,损坏器件。

上管关断下管开通时的测试波形

下管开通关断出现的这种波形是由漏栅电容导致的寄生开通现象。在下管关断后,上管米勒平台结束时,桥臂中点电压由0升到VDD,MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此在漏栅电容产生的电流会流到栅极,经栅极电阻到地,这样就会在栅极电阻上产生的电压降。这种情况,就会可能发生上下管同时导通,损坏器件。

  

但因为MOS管的制造工艺,一定会产生Cgd,也就是米勒电容一定会存在,所以米勒效应不能避免。

目前减小 MOS 管米勒效应的措施如下:

1)  提高驱动电压或者减小驱动电阻,目的是增大驱动电流,快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题;
2)  ZVS 零电压开关技术是可以消除米勒效应的,即在Vds为0时开启沟道。

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