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[技术讨论]

MOS管米勒电容的理解

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MOS管的寄生参数很多,尤其是米勒电容更是大名鼎鼎,与之相关的名词还有米勒平台,米勒震荡之类的。对一个MOS电路进行仿真,就能看到驱动电压Vgs上升的过程中,有一段基本保持不变的平台电压,这就是米勒平台,这个现象就是米勒效应。
很直观的可以理解,只要Vgs电压持续的时间够长,那么MOS管开启过程就越长,带来的开关损耗就更大,MOS管的发热就更多,MOS管关断也是同样的原因,关断越长,损耗越多。米勒电容延长了MOS管开启和关断的时间。从MOS管的规格书中可知,输入电容定义的是CgsCgd之和,输出电容定义的是CgdCds之和,反向传输电容是Cgd
米勒电容用于跨接在输入和输出信号之间,就会输出信号就会耦合到输入,造成开通时间延长,MOS管发热量加大,严重降低MOS管的性能。在MOS管关闭的时候,输出毛刺电压耦合到输入,又会造成误导通。为什么米勒电容会造成开通时间延长,这就理解电容吸收和转移电荷的本质:电容一般是平行极板模型,也就是一个极板跑进多少正电荷,另一个极板就会被挤出多少正电路。一个极板被吸走了多少正电荷,另一个极板就会补充进多少正电荷了。
有了电容转移电荷的过程,再来理解MOS管开启过程就比较容易了,根据MOS钳位电感模型进行测试分析,得到MOS管开启过程的电压。
MOS管开启过程分为三个阶段:当驱动芯片发出控制信号,经过栅极电阻-20欧姆给Cgs充电,在没有达到MOS管开启的阈值电压Vgs-th,也就是时间周期1,此时MOS管是关断的,漏极电压VDS被二极管钳位,就是电源电压Vcc
随着电流不断的流入CgsCgdMOS管栅极电压会发生变化。对于电容Cgs而言,正极板认为是栅极,负极板是GND。当有正电荷不断流入Cgs的正极板,就有正电荷不断流出负极板,由于负极板是GND,电位不会变,所以对于Cgs而言,正极板-栅极的电位会提高。
对于Cgd的分析要复杂一些,当驱动芯片没有发出控制信号的时候,栅极电位是0,所以Vgd=Vg-Vd=-7V,所以电容Cgd的漏极是正极板,栅极是负极板。当有正电荷不断流入Cgs的负极板,就会中和电容Cgd负极板的负电荷,在物理学的概念,这个过程叫消融。也抬升Cgd的负极板-栅极的电位。此时Cgd的正极板-漏极就要流出正电荷,但是漏极电位是电源Vcc,由于MOS管是关闭的,所以此时Cgd正极板-漏极的电位也不变化。最后Vgd的电压差随着栅极电位的提高会逐渐减小。
所以在阶段1来看,对电容Cgd和电容Cgd的充电效果而言,都会抬升栅极电压。在这个过程,电容Cgd对栅极充电电流分流比较小,可以忽略Cgd的作用。
到了关键的阶段2,随着Vgs电压不断提高,达到MOS管的开启阈值,MOS管就会打开。此时Vds电压快速下降,也就是Cgd正极板电压也会快速变化下降,这个时候,就会有大量的正电荷迅速抽离正极板,同时负极板-栅极就要吸收大量的正电荷,表现就是大电流快速流过Cgd。驱动的栅极电流几乎都流过Cgd,而不再有电流流入Cgs,所以Vgs就保持不变,出现米勒平台。当栅极驱动电流也不能满足Cgd的需求,此时Cgs就要出来贡献电流,就会在米勒平台出现回沟,如下图所示
由于Cgd的容量有限,大电流持续时间很短,就能将Cgd电容充满电,所以米勒平台时间很快就可以结束。也就是MOS管完全开启,此时漏极电压就到GND(假设MOS管理想,无Rds)。然后栅极驱动电流继续给Cgs充电,直到栅极电压和驱动电压近似相同,完成整个MOS管的开启过程,然后静静的等待关断时刻的到来。

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