MOS 米勒平台以及三个工作区详解

MOS米勒平台一、MOSFET米勒平台产生的本质MOSFET 的 Gate、Drain、Source 三个端子之间存在寄生电容主要包括CgsGate-Source 电容CgdGate-Drain 电容CdsDrain-Source 电容。MOSFET 数据手册中常见的三个电容参数为Ciss Cgs CgdCoss Cds CgdCrss Cgd其中 Cgd 也叫反向传输电容 Crss它位于 MOSFET 的输入 Gate 和输出 Drain 之间因此 Drain 电压发生快速变化时会通过 Cgd 对 Gate 产生明显影响这就是分析 Miller Effect米勒效应时最关键的寄生电容。需要特别注意的是Cgd 并不是一个固定不变的线性电容而会随着 Vds 明显变化。因此分析实际 MOSFET 的高速开关过程时不能简单取一个固定的 Cgd然后直接使用 QCΔV 描述整个过程而应该更多结合 MOSFET 数据手册中的 Gate Charge Curve栅极电荷曲线以及 Qgd也就是 Gate-Drain Charge / Miller Charge 进行分析。TI 同样指出 Cgd 与 Vds 有明显的非线性关系。所以我对米勒平台最基本的理解是MOSFET 开通或者关断过程中当 Vds 快速变化时Gate 和 Drain 之间的 Cgd 必须发生对应的电荷转移。在这一阶段Gate Driver 提供或抽取的栅极电流主要用于完成 Qgd也就是 Miller Charge 的转移而不是继续显著改变 Vgs因此 Vgs 会在一段时间内近似保持不变这一段就是 Miller Plateau米勒平台。二、以TI的钳位感性开关模型理解米勒平台对于 Buck、Boost、Buck-Boost 等开关电源中的 MOSFET更适合使用 TI 在《Fundamentals of MOSFET and IGBT Gate Driver Circuits》中给出的“Simplified Clamped Inductive Switching Model简化钳位感性开关模型”理解米勒平台。TI Figure 3 中用一个 DC Current Source直流恒流源等效电感。原因是 MOSFET 的开关过程通常只有几十 ns在这么短的时间内电感电流来不及发生明显变化因此可以近似认为IDC ≈ IL ≈ 恒定值。整流二极管负责在 MOSFET 关断时给电感电流提供续流路径同时把 MOSFET 的 Drain 节点钳位在输出电压附近。所以假设IDC 10 A当 MOSFET 完全关断时Id ≈ 0 AIdiode ≈ 10 A忽略二极管压降时Vds ≈ Vout。TI 明确说明 Figure 3 就是为了描述开关电源中常见的 Clamped Inductive Switching而且在很短的开关时间内可以把电感电流近似成恒流源。三、MOSFET开通过程中的米勒平台按照 TI Figure 4MOSFET 的开通过程可以分成四个阶段。①开通延迟阶段Vgs 从 0 上升到 Vgs(th)Gate Driver 开始向 MOSFET Gate 提供栅极电荷使Vgs0 → Vgs(th)。这一阶段大部分 Gate Current 用于 Cgs同时也存在少量流经 Cgd 的电流。因为 Vgs 还没有达到 MOSFET 的阈值电压MOSFET 尚未建立足够的导电沟道所以Id ≈ 0Idiode ≈ IDCVds ≈ Vout。因此第一阶段中主要变化的是 VgsId 和 Vds 基本不变。TI Figure 4 对这一阶段的描述也是大部分 Gate Current 进入 Cgs同时有少量流经 Cgd。② 漏极电流建立阶段Vgs 从 Vgs(th)上升到 Vgs(Miller)当 Vgs 达到 Vgs(th)以后MOSFET 开始建立导电沟道。随后VgsVgs(th) → Vgs(Miller)。MOSFET 的 Id 开始逐渐增加。如果 IDC10 A可以理解成负载电流逐渐从二极管转移到 MOSFET10 A 0 AId 10 AIdiode↓10 A 2 AId 8 AIdiode↓10 A 6 AId 4 AIdiode↓10 A 10 AId 0 AIdiode。也就是说在这一阶段近似满足IDC Id Idiode。这里有一个很重要的问题为什么 Id 已经增加了但是 Vds 还没有马上下降因为只要整流二极管仍然有正向电流它就仍然处于导通状态会把 Drain 节点钳位在 Vout 附近。所以这个阶段Id0 → IDC但是Vds ≈ Vout基本保持不变。也就是说MOSFET 最开始增加的 Id本质上是在从二极管那里逐渐“接管”负载电流而不是马上降低 Vds。只有当Id ≈ IDCIdiode ≈ 0整流二极管退出导通以后Drain 节点才不再被二极管钳位Vds 才能够开始快速下降。这与 TI Figure 4 对第二阶段的描述是一致的Vgs 从 Vth 上升到 Miller PlateauId 增加而 Vds 在负载电流全部转移到 MOSFET 之前基本维持在原来的关断电压。③米勒平台阶段Vds 快速下降当Id ≈ IDCIdiode ≈ 0以后MOSFET 已经能够承担全部负载电流整流二极管退出导通此时 Drain 节点不再被钳位因此Vds 开始快速下降。但是 Gate 和 Drain 之间存在 Cgd。当 Drain 电压发生快速变化时Cgd 对应的电荷状态也必须发生变化。从电荷和电流的关系I dQ/dt。可以理解为要在有限时间内完成 Qgd 的转移就必须有对应的 Gate Current。因此在这个阶段Gate Driver 仍然持续向 Gate 提供电流但是这些栅极电流主要用于完成与 Cgd 对应的 Qgd也就是 Miller Charge 的转移从而推动 Vds 完成快速变化。所以这一阶段Vgs ≈ Vgs(Miller)近似保持不变Id ≈ IDC近似保持不变VdsVout → 接近低导通电压快速下降。这就是 MOSFET 开通过程中的 Miller Plateau米勒平台。米勒平台期间Gate Driver 提供的栅极电流主要用于完成 Qgd也就是 Miller Charge 的电荷转移从而推动 Vds 完成主要变化。④ 完全增强阶段当 Vds 的主要下降过程基本完成以后米勒平台结束。Gate Driver 继续向 MOSFET 提供栅极电荷此时 Gate Current 又重新在 Cgs 和 Cgd 之间分配使VgsVgs(Miller) → VDRV。随着 Vgs 进一步升高MOSFET 的导电沟道进一步增强Rds(on)继续降低因此 Vds 还会略微下降。最终 MOSFET 达到低 Rds(on)的充分导通状态。所以 MOSFET 开通四个阶段可以简单记成先建立 Vgs → MOSFET 接管负载电流 → 米勒平台期间 Vds 下降 → MOSFET 完全增强。四、MOSFET关断过程中的米勒平台MOSFET 关断过程基本可以看成开通过程的反向过程。关断之前 MOSFET 已经完全导通Vgs VDRVId ≈ IDCVds ≈ Id × Rds(on)。接下来开始关断。①关断延迟阶段Gate Driver 开始从 Gate 抽取栅极电荷使VgsVDRV → Vgs(Miller)。这一阶段 MOSFET 的沟道仍然比较强仍然能够承担全部负载电流因此Id ≈ IDC。不过随着 Vgs 下降MOSFET 沟道的导电能力开始稍微减弱因此 Vds 会略微升高。所以第一阶段Vgs ↓Id 基本不变Vds 略微升高。②关断米勒平台阶段Vds 快速上升当 Vgs 下降到Vgs(Miller)以后进入关断过程的米勒平台。此时Vgs ≈ Vgs(Miller)。而Vds 从很低的 Id×Rds(on)快速上升。为什么 Vds 会快速上升因为此时 Gate Driver 还在继续抽取栅极电荷MOSFET 沟道的导电能力正在下降但是整流二极管还没有重新导通而电感电流在几十 ns 的时间内又近似不能突变所以Id ≈ IDC仍然必须暂时流经 MOSFET。MOSFET 的导通能力下降但是电流又暂时不能下降因此 Drain 节点电压被迫升高使 Vds 快速上升。而 Vds 的快速变化又要求 Cgd 发生对应的主要电荷转移因此 Gate Driver 此时抽取的 Gate Current 主要对应 Qgd 的变化。所以Vgs 暂时近似保持在 Miller PlateauId ≈ IDCVds 快速上升。当 Vds 上升到 Vout 附近以后整流二极管重新正向导通并把 Drain 节点钳位住米勒阶段基本结束。③漏极电流下降阶段整流二极管重新导通以后负载电流有了另一条通路。因此Vds ≈ Vout基本不再继续升高。Gate Driver 继续抽取栅极电荷使VgsVgs(Miller) → Vgs(th)。MOSFET 的导通能力不断降低所以IdIDC → 接近 0。同时整流二极管电流Idiode0 → IDC。整个过程中仍然近似满足IDC Id Idiode。也就是说这个阶段可以理解为 MOSFET 又把负载电流逐渐“交还”给整流二极管。由于 Cgd 在前面的米勒阶段已经完成了主要的电荷变化所以这一阶段抽取的 Gate Charge 主要来自 Cgs。④完全关断阶段当Vgs ≈ Vgs(th)时Id已经接近 0负载电流基本全部由整流二极管承担。Gate Driver 继续抽取剩余的栅极电荷使VgsVgs(th) → 0 V。此时Id ≈ 0Vds ≈ Vout基本不再发生明显变化。MOSFET 最终完全关断。所以 MOSFET 的关断四阶段可以简单记成先降低 Vgs → 米勒平台期间 Vds 上升 → MOSFET 把负载电流交还给二极管 → MOSFET 完全关断。TI Figure 5 本质上就是 Figure 4 开通过程的逆过程。五、Qgd、Gate Current 与米勒平台时间对于理想的线性电容ΔQ C × ΔV。但是 MOSFET 的 Cgd 会随 Vds 明显变化因此不能简单使用一个固定 Cgd 描述整个米勒阶段。厂家通常会在 MOSFET 数据手册中给出QgdGate-Drain Charge也叫 Miller Charge。根据I dQ/dt如果在米勒平台这段短时间内用平均 Gate Current 进行工程近似则ΔQ ≈ Ig,avg × Δt因此米勒平台持续时间可以粗略估算为tMiller ≈ Qgd / Ig,avg。其中QgdMOSFET 在相应测试条件下的 Miller ChargeIg,avg米勒阶段的平均 Gate Current。所以在其他条件基本相同时Qgd 越大 → tMiller 越长 → Vds 转换越慢Gate Current 越大 → tMiller 越短 → Vds 转换越快。因此以后看 MOSFET 数据手册时除了看 CrssCgd还需要重点关注 Qgd 和整个 Gate Charge Curve。尤其是在高速开关设计中单独看 Gate Driver 宣传的“峰值 4 A、5 A、10 A”并不够真正影响 MOSFET 开关速度的是 Gate Driver 在 Miller Plateau 电压附近实际能够提供的 Source/Sink Current。六、Gate Resistor栅极电阻为什么会影响米勒平台MOSFET Gate 前面通常还会串联一个 Gate Resistor也就是 Rg。栅极回路中的总阻抗大致包括Gate Driver 输出阻抗外部 RgMOSFET 内部 Gate Resistance。这些阻抗共同决定实际 Gate Current 的大小。因此Rg 增大 → Ig 减小 → 米勒平台时间增加 → MOSFET 开关速度降低。反过来Rg 减小 → Ig 增大 → 米勒平台时间缩短 → MOSFET 开关速度提高。但是 Rg 并不是越小越好。Rg 太小开关速度过快会提高 dv/dt、di/dt更容易产生开关节点振铃、EMI、MOSFET Gate 过冲、寄生参数引起的高频振荡。Rg 太大则会让 MOSFET 开关时间变长使开关损耗增加。所以实际设计中的 Gate Resistor本质上是在开关损耗、开关速度、dv/dt、di/dt、振铃以及 EMI 之间做折中。TI 同样把 Gate Driver 输出阻抗、外部 Gate Resistor 和 MOSFET 内部 Gate Resistance 都列为影响 switching speed 的重要因素。七、怎么看 MOSFET 数据手册中的 Gate Charge 曲线以后看 MOSFET 数据手册中的 Gate Charge 曲线时纵轴通常是Vgs。横轴通常是Qg。刚开始 Gate Driver 向 Gate 提供电荷时Vgs快速升高。随后到达 Miller Plateau 后可以看到Vgs 基本不变但是横坐标 Qg 仍然持续增加。这说明虽然 Vgs 没有明显提高但是 Gate Driver 仍然在不断向 Gate 转移电荷。米勒平台这一段新增的 Gate Charge 主要对应Qgd也就是 Miller Charge。这些电荷主要用于完成与 Cgd 以及 Vds 变化相关的电荷转移。因此看到 MOSFET 数据手册的 Gate Charge Curve 时我会重点关注Qg、Qgd、Miller Plateau Voltage以及对应的 Vds、Id 测试条件。因为 Qgd 并不是脱离工作条件之后永远固定不变的一个值。源自 CJAC80SN10二、MOS三个工作区源自CJAC80SN101.截止区VgsVgs(th)此时 MOSFET 尚未建立足够的 N 型沟道因此漏极电流很小可以近似认为 MOSFET 截止。需要注意数据手册中的 Vgs(th) 只是 MOSFET 刚刚开始导通的阈值并不代表 MOSFET 已经充分打开。例如 TI 的 CSD19536KTTVgs(th) 为 2.13.2 V但这是在 Id250uA 的条件下测得的而真正的 Rds(on) 是在 Vgs6V 和 10 V 等条件下给出的所以不能把 Vgs(th) 当成 MOSFET 的正常驱动电压。2.可变电阻区VgsVgs(th)且 0Vds Vgs-Vgs(th)。此时 ds 之间已经形成连续的 N 型沟道MOSFET 表现得类似一个由 Vgs 控制阻值的电阻。对于相同的较小 Vds提高 Vgs 会增强 N 沟道使 Id 增大因此 MOS 等效导通电阻降低。根据数据手册的“Id-Vds”曲线看随着 Vds 增大并逐渐靠近饱和区边界Id-Vds 曲线的斜率“ΔId/ΔVds” 会逐渐减小对应的增量电阻“ΔVds/ΔId”增大。但这个增量电阻不能直接等同于数据手册中的 Rds(on)。Rds(on) 是 MOSFET 在指定 Vgs、Id 和温度条件下充分导通时的漏源导通电阻。功率 MOSFET 作为开关使用时希望最终工作在这个区域内的低 Vds、低 Rds(on) 状态。因此 Gate栅极需要得到足够的驱动电压使沟道 fully enhanced完全增强。但 Vgs 并不是越高越好而是应该根据数据手册给出的 Rds(on) 测试条件选择足够的栅极驱动电压并保证不超过允许的栅源电压范围。至于在 VgsVgs(th) 后什么时候进入可变电阻区这就必须比较 Vds 和 Vgs-Vgs(th)。对于开关电源中的 MOS开通过程通常不是截止区→可变电阻区而更接近截止区→饱和区→Vds 下降→可变电阻区→完全增强其中“完全增强”不是第四个工作区而是 MOSFET 已经得到足够栅极驱动、达到低 Rds(on) 状态的工程描述3.饱和区VgsVgs(th)且 Vds Vgs-Vgs(th)此时 Id 几乎不随着 Vds 的变化而变化这是因为靠近漏极一端的N沟道夹断了此时Vgs的增大可以使得Id增大。