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MOS管的开通过程以及米勒平台的形成分析
发布日期:2024-09-27 07:19     点击次数:80

  对于MOSFET而言,米勒效应(MillerEffect)指其输入输出之间的分布电容(栅漏电容)在MOSFET开关过程中,会使驱动信号形成平台电压,引起开关时间变长,进而导致开关损耗增加,给MOS管的正常工作带来非常不利的影响。

  本文将以网上了解到的相关资料为基础并结合自己的理解,分析MOS管开通过程以及米勒平台的形成。首先我们先看一下MOSFET的结构简化图:

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  图一MOSFET的结构简图

  通过图一可知:N沟道增强型MOS管以一块低掺杂的P型硅片为衬底,利用扩散工艺制作两个高掺杂的N+区,并引出两个电极,分别为源极s和漏极d,半导体上制作一层SiO2绝缘层,再在SiO2之上制作一层金属铝,引出电极,作为栅极g。通常将衬底与源极接在一起使用。这样,栅极和衬底各相当于一个极板,中间是绝缘层,形成电容当栅—源电压变化时,将改变衬底靠近绝缘层处感应电荷的多少,从而控制漏极电流的大小。

  MOSFET的寄生电容主要包括栅源电容(Cgs)、栅漏电容(Cgd)以及漏源电容(Cds)。图二是MOSFET内部的结构图及等效电路。

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  图二MOSFET结构图及等效电路

  一般器件的手册中,都会以下列形式给出MOSFET的寄生电容,

  而米勒平台的形成恰恰和MOSFET的寄生电容存在千丝万缕的关系,下面介绍米勒平台的形成过程。考虑到电感负载的广泛应用,本文以电感负载来分析米勒平台的形成。由于MOS管开关的时间极短,电感电流可以认为不变(不明白的同学可以翻一翻前面的文章/斜眼笑),当作恒流源来处理。图三是栅极驱动电路以及开通时MOS管的电流电压波形。

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  图三栅极驱动电路及其波形

  结合图三,MOSFET的开通过程大致分为三个阶段。

  t0-t1阶段:从t0时刻开始,栅极驱动电流给栅源电容Cgs充电。电容两端的电压的Vgs从0V上升到Vgs(th),在这段时间内MOS管处于截止区,Vds两端的电压保持不变,Id为0,其等效电路如图四:

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  图四t0-t1阶段的等效电路

  t1-t2阶段:从t1时刻开始,因为Vgs超过MOS管的阈值电压进而开始导通。所以Id开始上升,并且随着流经续流二极管的电感电流不断减小,到t2时刻,Id上升到和电感电流一样,换流结束。这段时间内,驱动电流仍然只给栅源电容Cgs充电,其等效电路如图五:

  图五t1-t2阶段的等效电路

  在t1-t2这段时间内,随着电流Id上升,MOS管漏极和源极两端的电压Vds会稍微下降。这个阶段,MOS管工作于饱和区。

  t2-t3阶段:从t2时刻开始,随着MOSFET中的电流已经上升达到流经二极管的续流电流, 芯片采购平台MOS管两端的电压会缓慢减小,即Vds开始降低,又Vds和Vgs都是相对于源极s来定义的,则又Vds的减小换句话说就是漏极Vd的减小,这会使栅极驱动电流开始给Cgd充电。因为Cgd远大于Cgs,所以驱动电流此时全部用来给Cgd充电,在这段时间内栅极电压Vgs保持不变呈现出一段平台期,这个平台就称为米勒平台。等效电路如图六所示:

  图六t2-t3阶段的等效电路

  漏源电压在MOSFET进入米勒平台后开始下降,这是因为在进入米勒平台前,漏源电压被钳位保持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。图七为MOSFET在不同漏极电压减小时,导电沟道的变化状况。

  图七MOSFET在不同漏极电压时,导电沟道的变化情况

  t3-t4阶段: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的导电沟道又会开始变宽,导通压降会进一步降低。当Vgs增加到一定电压时,MOS管就会进入完全导通状态。等效电路如图八所示:

  图八t3-t4阶段的等效电路

  至此,MOS管的导通工作过程及米勒平台的形成就讲完了,看不明白的同学没有关系,告诉你一个方法:拿出童诗白老人家的那本模电书,将P45-47中关于N沟道增强型MOS管的内容好好认真看三遍(别问我是怎么知道的/狗头),然后就会恍然大悟,茅塞顿开,幡然醒悟。。。。。。。

  总结一下:图九展示了MOSFET在开通时不同阶段对应输出特性曲线的位置。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上升到电感电流值时,进入米勒平台期(t2-t3)。这个阶段Vds会慢慢变小,MOSFET的夹断区变小而导电沟道变宽,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)。

  图九MOS管的开通过程