MOS管米勒效應(yīng)電容問題
米勒效應(yīng)是三極管工作中常見的一種作用現(xiàn)象,然而, MOS管中由于門極和漏極間存在米勒電容，則會(huì)影響整體的開啟時(shí)間。那么問題來了:遇到這種情況,在柵極和源極間并聯(lián)一個(gè)小電容有沒有效果 ?在什么情況下才考慮米勒電容?米勒電容影響的時(shí)間怎么計(jì)算?就讓高級(jí)工程師告訴你,遇到米勒效應(yīng)電容時(shí)你應(yīng)該怎么處理。
據(jù)工程師介紹,米勒電容不是個(gè)實(shí)在存在MOSFET中的電容,它是由MOSFET棚漏極間的電容反映到輸入(即棚源間)的等效電容。由米勒定理可知,這個(gè)等效電容比棚漏間的實(shí)際電容要大許多,隨增益變化,而由該效應(yīng)所形成的等效電容稱為米勒電容。由此可見,在棚源極間并-個(gè)電容無(wú)助于減小米勒電容,反之更會(huì)降低MOSFET的開啟速度,增加開通關(guān)斷時(shí)間。
所以,正確的處理方式是在關(guān)斷感性負(fù)載時(shí),如果驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻不夠小，可以在MOS的GS間并聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娙?,而不是并聯(lián)一個(gè)越小越好的電容。這樣做可以防止關(guān)斷時(shí)因米勒電容影響出現(xiàn)的漏極電壓塌陷。
至于遇到了MOS管米勒效應(yīng)電容后如何計(jì)算的問題,工程師們可以查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)中的Cgd ,然后根據(jù)具體電路的電壓增益計(jì)算。一般情況下，功率MOS管往往給出一定條件下管子開通所需要的電量和充電曲線，可以作為驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的參考。
總結(jié)
工程師在進(jìn)行測(cè)試的過程中,一旦遇到米勒效應(yīng)電容問題,首先要依據(jù)查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)進(jìn)行計(jì)算,在估算出電容數(shù)值后選取適當(dāng)電容進(jìn)行電路系統(tǒng)修改調(diào)整。除此之外,依據(jù)米勒定理進(jìn)行合理運(yùn)用,也是能夠幫助I程師讀懂波紋并找出問題的關(guān)鍵所在。
如何減輕米勒電容所引起的寄生導(dǎo)通效應(yīng)
當(dāng)在開關(guān)時(shí)普遍會(huì)遇到的一個(gè)問題即寄生開通期間的米勒平臺(tái)。米勒效應(yīng)在單電源門極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中影響是很明顯的。基于門極G與集電極C之間的耦合，在關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會(huì)引發(fā)門極VGE間電壓升高而導(dǎo)通，這是一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)(如圖1)。
寄生引起的導(dǎo)通
在半橋拓?fù)渲校?dāng)上管IGBT(S1)正在導(dǎo)通， 產(chǎn)生變化的電壓dV/dt加在下管IGBT(S1)C-E間。電流流經(jīng)S2的寄生米勒電容CCG 、門極驅(qū)動(dòng)電阻RG 、內(nèi)部集成門極驅(qū)動(dòng)電阻RDRIVER ，如圖1所示。電流大小大致可以如下公式進(jìn)行估算：
這個(gè)電流產(chǎn)生使門極電阻兩端產(chǎn)生電壓差，這個(gè)電壓如果超過IGBT的門極驅(qū)動(dòng)門限閾值，將導(dǎo)致寄生導(dǎo)通。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該意識(shí)到IGBT節(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致IGBT門極驅(qū)動(dòng)閾值會(huì)有所下降，通常就是mv/℃級(jí)的。當(dāng)下管IGBT(S2)導(dǎo)通時(shí)，寄生米勒電容引起的導(dǎo)通同樣會(huì)發(fā)生在S1上。
減緩米勒效應(yīng)的解決方法
通常有三種傳統(tǒng)的方法來解決以上問題：種方法是改變門極電阻(如圖2);第二種方法是在在門極G和射極E之間增加電容(如圖3);第三種方法是采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)(如圖4)。除此之外，還有一種簡(jiǎn)單而有效的解決方案即有源鉗位技術(shù)(如圖5)。
獨(dú)立的門極開通和關(guān)斷電阻
門極導(dǎo)通電阻RGON影響IGBT導(dǎo)通期間的門極充電電壓和電流;增大這個(gè)電阻將減小門極充電的電壓和電流，但會(huì)增加開通損耗。寄生米勒電容引起的導(dǎo)通通過減小關(guān)斷電阻RGOFF可以有效抑制。越小的RGOFF同樣也能減少IGBT的關(guān)斷損耗，然而需要付出的代價(jià)是在關(guān)斷期間由于雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的過壓尖峰和門極震蕩。
增加G-E間電容以限制米勒電流
G-E間增加電容CG將影響IGBT開關(guān)的特性。CG分擔(dān)了米勒電容產(chǎn)生的門極充電電流，鑒于這種情況，IGBT的總的輸入電容為CG||CG’。門極充電要達(dá)到門極驅(qū)動(dòng)的閾值電壓需要更多的電荷(如圖3)。
因?yàn)镚-E間增加電容，驅(qū)動(dòng)電源功耗會(huì)增加，相同的門極驅(qū)動(dòng)電阻情況下IGBT的開關(guān)損耗也會(huì)增加。
采用負(fù)電源以提高門限電壓
采用門極負(fù)電壓來安全關(guān)斷，特別是IGBT模塊在100A以上的應(yīng)用中，是很典型的運(yùn)用。在IGBT模塊100A以下的應(yīng)用中，處于成本原因考慮，負(fù)門極電壓驅(qū)動(dòng)很少被采用。典型的負(fù)電源電壓電路如圖4。
增加負(fù)電源供電增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)也增大設(shè)計(jì)尺寸。
有源米勒鉗位解決方案
為了避免RG優(yōu)化問題、CG的損耗和效率、負(fù)電源供電增加成本等問題，另一種通過門極G與射極E短路的方法被采用來抑制因?yàn)榧纳桌针娙輰?dǎo)致的意想不到的開通。
這種方法可以在門極G與射極E之間增加三級(jí)管來實(shí)現(xiàn)，在VGE電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，門極G與射極E的短路開關(guān)(三級(jí)管)將觸發(fā)工作。這樣流經(jīng)米勒電容的電流將通過三極管旁路而不至于流向驅(qū)動(dòng)器引腳VOUT。這種技術(shù)就叫有源米勒鉗位技術(shù)(如圖5)。
增加三級(jí)管將增加驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度。
結(jié)論
以上闡述的四種技術(shù)的對(duì)比如下表
在近幾年時(shí)間里，高度集成的門極驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包含有源米勒鉗位解決方案并帶有飽和壓降保護(hù)、欠電壓保護(hù)，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)者和工業(yè)/消費(fèi)生產(chǎn)商來說，這將降低設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和產(chǎn)品尺寸。
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