对于MOS管而言,其电容模型如下所示:我们知道MOS有S G D三个引脚,它们存在以下三个电容,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,MOS的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。这就是我们常说的“米勒平台”。
那么米勒平台到底是怎么形成的呢?
通常来说MOS的开关驱动过程,可以理解为驱动源对MOS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, MOS就会进入开通状态;当MOS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MOS进入电阻区,此时Vds彻底降下来,开通结束。在此过程中由于米勒电容阻止了Vgs的上升,从而也就阻止了Vds的下降,这样就会使损耗的时间加长。(Vgs上升,则导通电阻下降,从而Vds下降)
那米勒效应是怎么产生的呢?
米勒效应是由MOS管的米勒电容引发的,在MOS管开通过程中,GS电压上升到某一电压值后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。
为什么会有稳定值这段呢?
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。米勒效应会降低MOS的开关速度,严重增加MOS的开通损耗。所以选择MOS时,Cgd越小开通损耗就越小。米勒效应不可能完全消失。MOS中的米勒平台实际上就是MOS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。
下面我们来具体看一下米勒平台形成的过程。
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Vgs(th)。在t1时刻以前,MOS处于截止区,不导通。
T1-T2阶段:
T1时刻,Vgs达到开启电压,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。
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。MOS中的米勒平台实际上就是MOS处于“放大区”的典型标志。
T2-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Cgd和Cgs处在同等水平时,Vgs才开始继续上升。
以上就是整个MOS管在完全导通时所经历的过程。
从曲线上看,米勒平台严重影响了我们的MOS管的开启速度,延长了开关时间,从而增加损耗,导致电路效率变低。另外低的开关速度也影响了MOS的稳定性。那我们有什么好的方法可以去改善这种现象呢?以下是我整理的一些对米勒平台的改善方案,仅供参考。
1、增加驱动电路中的电容:在G级和S级之间加足够大的电容可以消除米勒效应,但这样做会延长开关时间。
2、选择Cgd小的MOS管:在选择MOS管时,尽量选择Cgd较小的器件,这有助于减少米勒平台的影响。
3、缩短驱动信号布线长度:减少寄生电感导致的米勒平台震荡电压过冲,并选择合适的栅极驱动电阻。
4、使用合适的门极驱动电阻:通过选择合适的门极驱动电阻RG来减缓米勒效应的影响。
5、在GS端并联电容:虽然会增加驱动损耗,但可以有效抑制寄生电压,防止米勒平台震荡。
6、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;
7、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。
8、采用更快的驱动电路:可以提高MOS管的开关速度,从而减小米勒平台的影响。常用的驱动电路包括共源极驱动电路、共漏极驱动电路和共集极驱动电路等。
9、使用带米勒钳位的驱动芯片。米勒钳位的原理是,在MOS处于关断状态时,直接用一个低阻通路栅极连接到地,当位移电流出现时,将直接通过MOSFET流到地,不流过栅极电阻,自然也就不会抬升栅极电压,从而避免了寄生导通。
10、加入补偿电路,可以在输入信号快速变化时,提供更快速的反馈电路响应,从而消除MOS管开关时的晶体管寄生电容。
米勒平台是MOS管开关过程中的一个自然现象,无法完全消除。但是通过合理的电路设计和优化,可以减小其影响,提高MOS管的开关速度和效率。在实际应用中,需要根据具体情况选择合适的优化措施,以达到最佳的性能和效果。
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