MOSFET开时米勒平台的形成过程的详细解析!

适配器设计计算23步骤

闲话少说,那个,先来一张MOSFET的符号图:

“1”

为了描述方便,放一个boost电路先:其中S就是我们的MOSFET啦。

“2”

MOS开通过程我们主要看3个信号:Vgs,Vds,Id,他们三个啥意思我就不解释了。
我又笨手笨脚的画了一个图,我们来看图说话吧

“3”

从0时刻开始,Vgs开始上升的时候,Vds和Id保持不变,这个过程中驱动电流ig为Cgs充电,Vgs上升。一直到t1时刻,Vgs上升到Vg(th),也就是门极开启电压时候。在t1时刻以前,MOS处于截止区。

从t1时刻开始,MOS就要开始导通啦,它开始导通的标志就是Id要开始上升啦!就是原来电流从电感L出来流经二极管D,现在开始要慢慢的向S换流啦。所以MOS的漏极电流Id在慢慢上升,二极管的电流在慢慢减小,但是他俩的和始终等于电感电流,在开关开通的这个过程中可以认为电感电流是没有变化的。这个时间段内驱动电流仍然是为Cgs充电。在t1到t2的这段时间里,Id只是在安安静静的上升,到t2时刻,Id上升到电感电流,换流结束。在电感电流上升的这个过程中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,所以侧到的Vds会有一些下降。从t1时刻开始,MOS进入了饱和区。

还是要把图挪过来。

“4”

在Id上升到最大时候(t2),即刻就进入了米勒平台时期。米勒平台就是Vgs在一段时间几乎维持不动的一个平台。前面说了,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。那么可以看出,只要Id不变Vgs就不变。Id在上升到最大值以后,也就是MOS和diode换流结束后,Id就等于电感电流IL了,而此时又处于饱和区,所以Vgs就会维持不变,也就是维持米勒平台的电压。

那么从这个时候(t2)开始Vgs的驱动电流给谁充了电呢?答案是Cgd。驱动的电流ig为Cgd充电(从另一个方向来说,可以叫放电),然后Vds就开始下降了。由于超级结在开通伊始的纵向扩散,比较小的GD电容,所以Vds一开始下降的比较快,大约在下降到100V左右的时候,纵向扩散完成,变成横向扩散,GD电容变大,所以Vds下降的斜率变缓。

那么miller平台什么时候结束呢?miller平台要想结束,必须进入线性区,不然继续在饱和区待下去,就会被和Id“绑”在一起,所以当MOS进入线性区之后,miller平台结束。那么什么时候进入线性呢?根据MOS的特性曲线,在Vds下降到等于此时的Vgs-Vg(th)这个值的时候,MOS进入线性区(t4时刻之后)。此时Vds的大小会由Rds*Id决定,驱动电流开始继续为Cgs和Cgd充电。而Vgs也开始恢复继续上升。MOS基本导通。

上面大概描述了MOS的开通过程的波形图。

现在重点说一下这个miller平台。详细说一下这其中的过程。

把MOS图在摆过来。

“5”

在t2时刻开始,处在饱和区的MOS转移特性公式,真实为Ich=Vgs*Gm,Ich为沟道电流,即上图中DS之间红色部分的电流。于是当驱动电流为Cgs充一点电,Vgs增加Δvgs,那么Ich增加Δich,而Ich增加的部分只能由Cds放电提供,(因为从电路中的来的那部分电流已经固定),于是Cds放电为Ich提供增加的电流。于是Vds就下降,也就是Vgd会下降,那么Δigd=Cgd*ΔVgd/Δt,igd就会增加,然后igs就会下降,所以Vgs就不能增加只能这样动态的维持在米勒平台附近。可以看出这是一个负反馈的过程。所以Cgd也叫反馈电容。

通常测到的米勒平台并不是这么平,而是在米勒平台开始的地方有一个突起,然后慢慢回归到米勒平台。通常可能有2个原因:

1:二极管的反向恢复导致Id电流大于电感电流IL,因此Vgs需要提供更大的驱动电压;
2:源极杂散电感在Id变化时形成的压降,叠加在Vgs上面。

而Id也会有一部分超出IL,就是二极管的反向恢复电流叠加。

当然,如果是断续模式,二极管的反向恢复就小得多。

我们实验室测试平台得到的开通波形图(管子是我们的4A/700V的超级结MOS):
绿色:Vgs;
黄色:Vds;
紫色:Id;

“6”

仿真波形:
依次为Id、Vds、Vgs

“7”

从前面的分析可以看出,MOS的开通损耗主要是在t1到t3这两段时间内:
t1到t2这段时间内是Vds大电压高压,Id下上升的过程;
t2到t3这段时间内是Id大电流,Vds下降的过程;
所以开关损耗主要集中在这两段时间内。
我来解释一下这个波形里面白色圆圈画出来的部分是怎么回事。

“8”

说一下我们测试用的二极管是几乎没有反向恢复的,但是它有结电容。

所以在MOS的Vds下降的过程中,二极管的阳极电压就会随着下降,那么在二极管的结电容两端就会形成一个dv/dt,这个dv/dt在二极管的结电容上形成的电流就会和电感电流一起形成MOS的漏极电流。所以,就可以看到白色圆圈里面的电流比后面稳定之后的电流大一点。

文字来源:21世纪电源网/西安龙腾技术宅

评论

forland_fw_505745的头像
forland_fw_505745 周四, 04/02/2020 - 16:18

从t1时刻开始,MOS进入了饱和区。应该是,从t2时刻开始,MOS进入了饱和区。

forland_fw_505745的头像
forland_fw_505745 周四, 04/02/2020 - 16:28

原文没问题,是我搞错了,不好意思哦!

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