米勒效应对MOSFET危害
来源:功率半导体生态圈 发布时间:2023-04-24 分享至微信

关注公众号,点击公众号主页右上角“ · · · ”,设置星标,实时关注功率半导体生态圈最新资讯

源:MDD辰达半导体


前言

对于MOSFET,米勒效应(Miller Effect)指其输入输出之间的分布电容(栅漏电容)在反相放大作用下,使得等效输入电容值放大的效应。由于米勒效应,MOSFET栅极驱动过程中,会形成平台电压,引起开关时间变长,开关损耗增加,给MOS管的正常工作带来非常不利的影响。



Number01.
理解米勒效应



可以看成是一个电容的负反馈。在驱动前,Crss上是高电压,当驱动波形上升到阈值电压时,MOS管导通,d极电压急剧下降,通过Crss拉低g脚驱动电压,如果驱动功率不足,将在驱动波形的上升沿阈值电压附近留下一个阶梯,如下图。



有时甚至会有一个下降尖峰趋势平台,而这个平台增加了MOS管的导通时间,造成了我们通常所说的导通损耗。


Number02.
MOSFET结构及寄生电容的分布


MOSFET结构

图1:垂直型MOSFET结构

图1是垂直型MOSFET的结构,它是一个由P区域和 N+的源区组成的双扩散结构。漏极(drain)和源极(source)分别放在晶圆的两面,这样的结构适合制造大功率器件。因为可以通过增加外延层(epitaxial layer)的长度,来增加漏源极之间的电流等级,提高器件的击穿电压能力。另外从图中,还可以清晰看出MOSFET的寄生体二极管。


寄生电容

图2. MOSFET的寄生电容及等效电路


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)。从图2中左图看到,Cds是由漏极和源极之间的结电容形成,Cgd栅极和漏极间的耦合电容。Cgs则较为复杂,由栅极和源极金属电极之间的电容Co、栅极和 N+ 源极扩散区的电容 CN+ ,以及栅极和扩散区P区的电容Cp组成。


一般器件的手册中,都会以下列形式给出MOSFET的寄生电容

输入电容: Ciss=Cgd+Cgs
输出电容: Coss=Cgd+Cds
反向传输电容:Crss=Cgd

Number03.
MOSFET的开通过程


①t0—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

②t1—t2阶段

t1时刻,MOS管就要开始导通了,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。

③t2—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。

④t3~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。

以上是MOS管开通的四个过程。

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。


Number04.
米勒效应对MOSFET开关过程的影响


下面以图4中电机控制电路来说明米勒效应对MOSFET开通关断过程的影响。在图10控制电路中,上管导通时,VDD通过Q1、Q4对电机进行励磁;上管关断时,电机通过Q4、Q3进行去磁。在整个工作过程中,Q4一直保持开通,Q1, Q2交替开通来对电机转子进行励磁和去磁。

图4. 电机控制电路


图5,图6是上下管开通关断时驱动电压测试波形。可以清楚的看到,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。

图5. 上管开通下管关断时的测试波形

图6. 上管关断上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。


下管的这个Vgs尖峰电压(也有公司称之为Vgs bouncing)可以表达为:


Rgoff驱动关断电阻,Rg,ls(int)为MOSFET栅极固有电阻,Rdrv为驱动IC的电阻。从公式(1)可以看到,该电压与Rgtot和Cgd呈正向相关。


所以解决这个问题有两类方法:

1. 减小Rgtot。由公式(2)知道,Rg,ls(int)由器件本身决定,Rdrv由驱动IC决定,所以一般是选择合适的Rg来平衡该Vgs bouncing电压。

2. 选择Crss/Ciss(即Cgd/Cgs)低的MOSFET有助于降低Vgs尖峰电压值。或者在MOSFET栅源之间并上一个电容,也会吸收dV/dt产生的漏删电流。图7是在下管的GS两端并联5.5nF电容后的开关波形,可以看到电压明显降低,由图5中的3.1V降低到1.7V,大大降低了上下管贯通的风险。


同理,上管关断至米勒平台结束时,下管开通前,桥臂中点电压由VDD降为0,MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此就会在栅极上面产生一个负压。

同时,由图5,图6,可以观察到,下管开通关断过程中,都没有出现米勒平台现象。这是因为在其开通关断时,由于Motor中的电流经过下管的体二极管续流,DS两端电压很小,所以米勒平台也就形成不了了。



【免责声明】文章为作者独立观点,不代表功率半导体生态圈。如因作品内容、版权等存在问题,请于本文刊发30日内联系功率半导体生态圈进行删除或洽谈版权使用事宜。

[ 新闻来源:功率半导体生态圈,更多精彩资讯请下载icspec App。如对本稿件有异议,请联系微信客服specltkj]
存入云盘 收藏
举报
全部评论

暂无评论哦,快来评论一下吧!