MOSFET杂散电容的数量级和大小关系是什么?造成什么影响?(未完结,起始日期2023年11月20日)

发布时间 2023-11-20 18:05:16作者: evaq

MOSFET结构和特性

MOSFET的结构如下:

Structure of MOSFET 用来展示为什么Cgs很大

MOSFET的等效电路图如下:
MOSFET的等效电路图 贸泽

为什么MOSFET的等效电路图中包括了电容?

MOSFET的栅极和漏极、源极之间通过一层薄氧化物如SiO2隔离,但这层绝缘层非常薄,尤其是栅极和源极之间,通常小于一微米厚,以埃为单位测量。这意味着栅极和源极、漏极之间存在相当大的电容,尤其是\(C_{GS}\)非常大

同时DG、DS之间也存在了相对较小的非线性电容。

MOSFET杂散电容值的大小关系和数量级?

计算MOSFET非线性电容介绍了MOSFET杂散电容的数量级随VDS的变化关系,如下图所示。

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其中\(C_{ISS}=C_{gs}+C_{dg}\)\(C_{OSS}=C_{dg}+C_{ds}\)\(C_{RSS}=C_{gd}\)

从图中可以看出,当\(V_{DS}\)较大时,\(C_{gs}>>C_{ds},C_{gs}>>C_{dg}\),当\(V_{DS}\)较小时,\(C_{gd}\)相对较大,这会加重米勒效应。

TI的MOSFET和IGBT栅极驱动器电路的基本原理的第10-11页详细介绍了MOSFET开通和关断过程,可注意到米勒效应。
详谈米勒效应对MOSFET开关过程中的影响介绍了米勒效应造成的米勒平台和误导通现象。

杂散电容造成的影响有什么?

其中米勒平台直接影响了MOSFET的开关速度。同时为了避免误导通,需要人为限制MOSFET的关断速度。而MOSFET开通速度往往由较慢的另一边的二极管的反向恢复速度决定,一般来说不关注。

除此之外,杂散电容与PCB的线路杂散电感存在震荡和误导通问题,也会影响MOSFET开关速度。

杂散电容会造成直接能量损失。包括驱动损耗、\(E_{oss}\)损耗等。其带来的开关速度限制也会增加开关损耗。

为什么米勒效应限制了MOSFET的开关速度,带来损耗增加?

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米勒效应会带来充电时间的延长和米勒平台时间。

当开关管开通过程中,\(C_{gs}\)\(C_{gd}\)是并联关系,驱动电流需要给\(C_{gs}+C_{gd}\)充电使得\(V_{gs}\)达到合适的电压。

除此之外,当开关管开通时,驱动电流还需要给\(C_{gd}\)充电使得\(V_{DG}\)电压能够降低,进而使得\(V_{DS}\)电压降低,使得开关管从饱和区进入线性区,以达到导通状态。

这会带来米勒平台现象,且电压\(V_{DS}\)越高,米勒平台所需的时间需要的越多,开通速度受限制

但考虑到\(C_{gd}\)\(V_{DS}\)的变化关系,\(V_{DS}\)越大,\(C_{gd}\)越小,故米勒平台所需时间与\(V_{DS}\)的关系灵敏度下降了。

开关管关断过程与开通过程刚好相反,有同样的原理。

因此,由于需要给\(C_{gd}\)充电和米勒平台的影响,米勒效应限制了MOSFET的开关速度。