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MOS 米勒平台以及三个工作区详解

一、MOS米勒平台

MOSFET 米勒平台产生的本质:Gate 与 Drain 之间存在寄生电容 Cgd。当 MOSFET 开通或关断过程中 Vds 快速变化时,Cgd 需要发生相应的电荷转移。由于栅极驱动器能够提供的输出/吸收电流有限,在这一阶段栅极电流主要用于 Cgd 对应的米勒电荷 Qgd 的转移,而不是继续显著改变 Vgs,因此 Vgs 会在一段时间内近似保持不变,形成米勒平台。

MOS 管的电容模型如下所示:MOS 有 G、S、D 三个引脚,它们存在以下三个电容:Cgs,Cgd,Cds。其中,输入电容 Ciss=Cgs+Cgd;输出电容 Coss=Cgd+Cds;米勒电容也就是反向传输电容 Crss=Cgd。需要注意,Cgd 并不是一个固定不变的电容,其大小会随 Vds 明显变化,因此实际分析 MOSFET 开关过程时,除了 Crss=Cgd 外,还需要结合栅极电荷曲线以及 Qgd 分析。

以下源于 TI 的技术文档“Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits”,其中对于米勒平台的讲解:

TI技术手册中建立了 Simplified Clamped Inductive Switching Model(简化钳位感性开关模型),并用 DC Current Source(直流恒流源)等效开关瞬间近似不变的电感电流。

TI Figure 3 的结构可以理解为 Boost 开关节点附近功率回路的简化模型。其中 IDC 是 TI 用来等效电感电流的理想恒流源,二极管的阳极接 SW 节点(NMOS 的漏极),阴极接 Vout。在几十 ns 的 MOS 开关瞬间,电感电流 IL 基本来不及发生明显变化,所以可以近似成恒流源。

假设 IDC=10A,并且 MOS 关断,Id=0,由 KCL,Idiode≈10A,二极管处于正向导通,二极管导通后会把 SW 节点钳在 Vout 附近,即 Vds≈Vout。所以最开始 Id=0,Idiode≈IDC,Vds≈Vout

对于TI Figure 4,①:NMOS 被打开,Vgs:0→Vgs(th);Gate Driver 主要给 Cgs 充电,同时存在少量流经 Cgd 的电流。;Id≈0;由 KCL,Idiode≈IDC,Vds≈Vout

②:Vgs=Vgs(th) 后,NMOS 开始形成沟道,随着 Vgs↑,Id 逐渐增加:IDC=10A,比如一开始 10A=0A(Id)+10A(Idiode),随后 10A=2A(Id)+8A(Idiode),再后来 10A=6A(Id)+4A(Idiode),最后 10A=10A(Id)+0A(Idiode)。在整个阶段②,电感电流在这么短的时间内近似不变,对应 IDC=Id+Idiode

为什么在②中 Id 已经在增加,Vds 却没有下降?这是由于 diode,只要 Idiode>0,二极管导通就会把 SW 节点钳位在 Vout 附近,因此仍然 Vds≈Vout,这就是为什么 Id 增加≠Vds 马上下降,最开始增加的 Id,本质上只是在从 diode 那里“接管”负载电流。

③直到 Id=IDC,此时 Idiode=0。对应 Vgs 已经从 Vgs(th) 上升到 Vgs(Miller),diode 不再把 SW 节点钳位在 Vout,故 Vds 开始快速下降。而 g、d 之间存在 Cgd,所以 Vd 要快速变化,就必须改变 Cgd 上的电荷状态,根据 Q=I*t,I=dQ/dt(也可以从局部微分关系 Ic=C*du/dt 理解,但由于 Cgd 不是固定值:Cgd=f(Vds),因此不能简单把一个固定的 Cgd 带入整个开关过程)所以这一阶段 Gate Driver 能够提供的栅极电流 Ig 被主要用于 Cgd 的电荷变化,从而实现 Vds 的快速下降,这一阶段 Gate Driver 仍然在输出栅极电流 Ig,但是此时提供的电荷主要用于 Cgd 的电荷转移去降低 Vds,而不是继续明显抬升 Vgs,于是在 fig4 中可以看到 Vgs≈Vgs(Miller),与此同时 Vds 就在米勒平台期间快速下降

④当 Vds 基本下降完成后,米勒平台结束,此时 Gate Driver 继续提供栅极电荷,此时栅极电流重新在 Cgs 与 Cgd 之间分配,使 Vgs 从 Vgs(Miller) 继续升高至最终驱动电压。Gate Driver 继续给 Cgs 提供电荷使得 Vgs 增大,N 沟道进一步增强,以 fully enhance the conducting channel(使导电沟道完全增强),最终 Vgs 决定导通状态下的最终 Rds(on)。

关断过程基本可以看成开通过程的反向过程。由TI Figure 5,MOSFET 完全导通时,Vgs=VDRV,VDS≈Id*Rds(on)。①关断延迟阶段,Gate Driver 开始抽取栅极电荷,使 Vgs 从 VDRV 下降到 Vgs(Miller)。此时 Id 基本不变,随着过驱动电压减小,Vds 会略微升高。②关断米勒平台:此时 Vgs 近似保持在 Vgs(Miller),而 Vds 从 Id*Rds(on) 上升,对应 Cgd 的电荷转移。直到 Vds 上升到输出电压附近,整流二极管重新正向导通并钳位漏极电压。③漏极电流下降阶段:二极管导通后为负载电流提供另一条路径,Vds 被钳位在 Vout 附近,Vgs 从 Vgs(Miller) 继续下降到 Vgs(th),MOSFET 的 Id 从负载电流逐渐下降到接近 0。④完全关断阶段:Gate Driver 继续抽取剩余栅极电荷,使 Vgs 从 Vgs(th) 降到 0 V。此时 Id 已经接近 0,Vds 基本保持在 Vout,MOSFET 最终完全关断。

电荷、电流和电容之间的基本关系为 I=dQ/dt。当电流近似恒定时,可以得到ΔQ≈I*Δt;对于理想线性电容,可以写成ΔQ=C*ΔV。MOSFET 的 Cgd 是非线性电容,因此实际米勒阶段更适合使用 Qgd 描述对应的电荷转移。

米勒平台的持续时间近似为:tMiller≈Qgd/Ig,avg,其中 Ig,avg 为米勒阶段的栅极平均电流,因为真实 Gate Current(栅极电流)并不是严格恒定。

TI 还特别指出,真正影响开关速度的关键是栅极处于 Miller plateau voltage(米勒平台电压)附近时,驱动器实际能够提供的 Source/Sink Current(源/灌电流),而不仅仅是数据手册里宣传的最大峰值输出电流。

在相同的 Ig 的情况下,Qgd↑,米勒平台的持续时间越长;反过来,如果 Ig↑,米勒平台持续时间越短(例如 NCP81074 这类专用 MOSFET Gate Driver(栅极驱动器)可以提供较大的瞬态 Source/Sink Current(源/灌电流)以及较低的驱动输出阻抗,从而更快地完成 MOSFET 栅极电荷的注入和抽取。这类芯片的作用就是提升 Ig)。

所以,以后看 MOS 数据手册,除了关注 Crss=Cgd,还应该特别关注 Qgd,Qgd 用于估算实际米勒时间。

还有 Rg,这个是 MOS 栅极的串联电阻,Gate Driver→Rg→MOSFET Gate,Rg 大小将直接影响栅极电流 Ig 的大小,进而影响米勒平台持续时间

电荷 Q=C*V,对应恒定理想电容:Q=C*ΔV,表示要让一个电容的电压变化,就必须向它转移一定量的电荷。但是 MOS 的 Cgd 会随着 Vds 大幅变化,即 Cgd 不为固定常数,所以厂家给出一个更方便的参数 Qgd(栅漏电荷/米勒电荷),表示:在数据手册规定测试条件下,米勒阶段对应的栅漏电荷转移量。它不是与工作条件无关的固定常数,实际使用时需要注意数据手册中对应的 Vds、Id 等测试条件。

如下图的栅极电荷曲线:纵轴为 Vgs、横轴为 Qg(栅极电荷),在米勒平台这一段,Vgs≈不变,但横坐标 Qg 仍然继续增加,也就是说:虽然 Vgs 没怎么增加,但 Gate Driver(栅极驱动器)仍然不断向 Gate(栅极)输送电荷。这些电荷主要去了 Qgd,用于推动 Vds 变化,这一段平台期就是米勒平台

源自 CJAC80SN10 

二、MOS三个工作区

源自CJAC80SN10

1.截止区:Vgs<Vgs(th)

此时 MOSFET 尚未建立足够的 N 型沟道,因此漏极电流很小,可以近似认为 MOSFET 截止。需要注意,数据手册中的 Vgs(th) 只是 MOSFET 刚刚开始导通的阈值,并不代表 MOSFET 已经充分打开。例如 TI 的 CSD19536KTT,Vgs(th) 为 2.1~3.2 V,但这是在 Id=250uA 的条件下测得的,而真正的 Rds(on) 是在 Vgs=6V 和 10 V 等条件下给出的,所以不能把 Vgs(th) 当成 MOSFET 的正常驱动电压。

2.可变电阻区:Vgs>Vgs(th)且 0<Vds< Vgs-Vgs(th)。此时 ds 之间已经形成连续的 N 型沟道,MOSFET 表现得类似一个由 Vgs 控制阻值的电阻。对于相同的较小 Vds,提高 Vgs 会增强 N 沟道,使 Id 增大,因此 MOS 等效导通电阻降低。

根据数据手册的“Id-Vds”曲线看,随着 Vds 增大并逐渐靠近饱和区边界,Id-Vds 曲线的斜率“ΔId/ΔVds” 会逐渐减小,对应的增量电阻“ΔVds/ΔId”增大。但这个增量电阻不能直接等同于数据手册中的 Rds(on)。Rds(on) 是 MOSFET 在指定 Vgs、Id 和温度条件下充分导通时的漏源导通电阻。

功率 MOSFET 作为开关使用时,希望最终工作在这个区域内的低 Vds、低 Rds(on) 状态。因此 Gate(栅极)需要得到足够的驱动电压,使沟道 fully enhanced(完全增强)。但 Vgs 并不是越高越好,而是应该根据数据手册给出的 Rds(on) 测试条件选择足够的栅极驱动电压,并保证不超过允许的栅源电压范围。

至于在 Vgs>Vgs(th) 后,什么时候进入可变电阻区?这就必须比较 Vds 和 Vgs-Vgs(th)。对于开关电源中的 MOS,开通过程通常不是截止区→可变电阻区,而更接近:截止区→饱和区→Vds 下降→可变电阻区→完全增强(其中“完全增强”不是第四个工作区,而是 MOSFET 已经得到足够栅极驱动、达到低 Rds(on) 状态的工程描述)

3.饱和区:Vgs>Vgs(th)且 Vds> Vgs-Vgs(th),此时 Id 几乎不随着 Vds 的变化而变化,这是因为靠近漏极一端的N沟道夹断了,此时Vgs的增大可以使得Id增大。

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