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【龙腾交流】MOSFET开通过程分析---米勒平台的形成过程(更新中。。)

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西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-28 14:41:21
来来来!马上要给祖国庆生了,龙腾闲人情绪激动,实在不能按下心来好好工作,爱国情绪爆棚,于是决定来这里发一贴,和大家一起交流一下MOSFET的开通过程,以舒缓一下心情。有感兴趣的朋友可以一起过来讨论,哈哈哈~~~


闲话少说,那个,先来一张MOSFET的符号图:

MOSFET.jpg

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赵日天
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副总工程师
  • 2016-9-28 14:48:56
 
楼主莫非是陈博士?
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-28 15:05:10
 
对!没错!我就是陈博士


下面的一个小跟班!
admin
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管理员
  • 2016-9-28 21:21:09
 
我猜猜你的谁?
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 13:28:50
 
我猜你能猜对
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-28 14:55:33
 
为了描述方便,放一个boost电路先:其中S就是我们的MOSFET啦。

boost.jpg

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

IMG_4314.JPG

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。


赵日天
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副总工程师
  • 2016-9-28 15:08:34
 
技术宅我顶你到天亮,继续
世纪电源网-小王
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管理员
  • 2016-9-28 16:40:35
 
悄悄告诉你一个宅女工程师
xd285070
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副总工程师
  • 2016-9-28 16:44:34
 
有照片吗,,,,
何仙公
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版主
  • 2016-9-28 16:51:31
 
干脆视频好了!
xd285070
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副总工程师
  • 2016-9-28 16:56:34
 
这个主意不错!
suh520
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助理工程师
  • 2016-9-28 16:58:18
 
东儿就是个色狼
xd285070
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副总工程师
  • 2016-9-28 17:00:50
 
咳咳,我们只是表示没见过女的调电源,只是想开开眼界
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 10:36:39
 
干嘛干嘛?你们想干嘛?用你们发达的大脑使劲YY就好了,万一看到了照片,我在你们心中或许还可以存在的美好形象不就崩塌了吗?
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 13:29:26
 
你的名字太真性情了!
yyy787
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副总工程师
  • 2016-9-28 17:13:56
 
听工程师讲解MOSFET开通过程,很详细、很有收获

西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-28 18:48:55
 
还没讲完呢。有点忘了,正在复习,哈哈哈哈
赵日天
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副总工程师
  • 2016-9-29 08:10:50
 
你这是打算现炒现卖啊,赶紧的
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 08:59:11
 
也不算现炒现卖啦,很早就总结过,现在时间长了,总得稍微回顾一下嘛
picherlu
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副总工程师
  • 2016-9-29 09:05:44
 
图画的很好
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 10:37:18
 
谦虚,懂不懂
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 09:11:23
 
还是要把图挪过来。哈哈

IMG_4314.JPG


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。


西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 09:34:03
 
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。
MOSFET.jpg
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。

jaywq
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版主
  • 2016-9-29 10:03:59
 
讲的好清晰啊,请继续
赵日天
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副总工程师
  • 2016-9-29 10:58:33
 
然而我这样的学渣还是听不明白,以前听龙腾的陈桥梁博士也说过这个米勒,一直懂不了
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 11:23:20
 
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。
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 13:53:10
 
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;
SJ1.png

仿真波形:
依次为Id、Vds、Vgs
开通过程仿真.jpg
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-30 15:12:29
 
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。
xd285070
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副总工程师
  • 2016-9-30 16:06:14
 
为什么没有那个结电容方电的一个脉冲波,,,,,
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-1 09:13:35
 
没听明白你问什么,
xkw1cn
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  • 2016-9-30 15:53:49
 
看你的波形;两个米勒平台。是否可以解释一下?
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-1 09:41:46
 
MOS管的开关过程波形会受到管子和测试电路等跟多因素的影响,我只能说最可能的原因。
前面的分析中可以知道,这个时候有转移特性Ich=Vgs*Gm。在Vds下降到很小的时候,我们知道结电容Cds随着Vds的下降是变化的,尤其是超级结,结电容会有一个突然的增大,那么其放电给沟道电流的部分就会增加,根据Ich=Vgs*Gm,Ich增加,Vgs就会增加一点。

xkw1cn
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  • 2016-10-1 21:49:25
 
开通过程的第二个台就是超级结PN绝缘层移除导致在近似开通后米勒电容突然增大导致二次米勒过程。
所以;超级结功率管与标准MOSFET有差异,计算高频损耗时;需要增加附加准开关损耗概念。
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-2 12:10:07
 
恩,大概意思差不多。
cx123
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LV6
高级工程师
  • 2016-10-2 13:34:33
 
大师图中的CGD,CDS电容的电流方向是那样流经MOS管内部吗?
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-9 13:21:59
 
是的。开通过程就是这样。
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-1 09:48:08
 
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。
SJ1.png
首先,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。
wowfarwell
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LV8
副总工程师
  • 2016-10-8 16:09:36
 
Image 3.png

你的仿真为何这么平滑?
我的ID怎么有个尖呢?这个是你说的结电容造成吗?
非常感谢

Image 2.png
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-9 13:23:28
 
波形不平滑可能是你的仿真步长不够小。
你的Id这个尖比较大,也许是输出二极管的反向恢复电流比较大。你可以看一下二极管的电流对比一下。
hm492464387
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本网技师
  • 2016-11-16 20:35:20
 
什么仿真软件啊。
wangjie2383
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助理工程师
  • 2016-12-27 17:21:02
 
请问楼主反激的Id如何解释,反激的Id是在mosfet关断的时候达到最大值的。
zhaomingming
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本网技师
  • 2017-9-3 20:35:51
  • 倒数4
 
没有明白你的:“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)”,
Cds会对米勒平台产生影响吗?为什么?
    我最近调试驱动发现米勒平台不是平的,驱动波形电压开始上升到6V后又降到大约3V然后继续上升到12V完成开通,我试图在DS间并联电容后,这个平台下掉的情况会加剧, 麻烦给详细讲讲


yuningxuan
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本网技工
  • 2017-9-6 08:47:26
  • 倒数3
 
您好,首先非常感谢您详细的分析和解答。但是我有个疑问要请教。在Miller平台中,Vds要较小,Cds放电,沟道电流Ich增加,那漏极电流不应该也增加吗,又是如何维持恒定呢?谢谢
liaozhaocheng
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版主
  • 2016-9-29 09:18:35
 
画得很漂亮呀,但我还是建议搞成文档来啊
wowfarwell
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副总工程师
  • 2016-9-29 11:56:36
 
100939fwgkggbxngv7gy7g.jpg.thumb.jpg
这个图是什么测试条件或线路下特定的图形还是普适的图?


按你画这个图,ID先到达最大,VDS才开始大幅度下降,在DS压降这么大的情况下,这么大电流是哪儿来的?
举例:如果MOS管加电100V,负载100欧
          你这个图的意思相当说,负载有1A的时候,VDS还有90V,加到负载上的电压只有10V,那么这个1A是怎么来的?

你用仿真或者实测验证过吗?有没有实际的波形?

西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 13:16:40
 
亲,我一开始就放了boost电路。
你没测过boost电路吗?
当然实验和仿真都是这样。
普适谈不上,但是在大部分的拓扑(电感、MOS、二极管连接在一起的)的CCM模式基本是这个情况。
你说的情况里面光带个电阻,当然和这个不一样,但是电力电子里面很少这样的情况吧。


wjy_sz
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LV2
本网技师
  • 2017-1-12 09:01:01
 
你好,楼主,能帮忙解释一下,为什么在MOS在截止区时VDS是有电压且大于VDD?谢谢。
wbt100
  • wbt100
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高级工程师
  • 2016-9-29 08:18:08
 
先Mark一下
xkw1cn
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  • 2016-9-29 11:12:39
 
对于平面工艺MOSFET讲,确实是这个过程。但是;超级结结构,由于PN结也米勒过程中建立阻挡层,过程复杂的多且有波形与此不能完全一一对应。不同厂家的都有明显差异。
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 13:57:41
 
超级结的开关速度快(纵向耗尽时候结电容较小,Vds下降速度快),如果电路杂散参数大的时候会带来一些振荡,看上去波形复杂,实际上开通过程的分析是一样的。
能源消耗
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副总工程师
  • 2016-9-29 14:22:15
 
好像如开通过程本来是偏向线性型  ,超结是改变为阶段型,而且在这阶段中期有个弥勒平台,这个平台时期就像个驱动缓冲带,为进入下个阶段加速作用,是这样理解吗?,我的经验告诉我,MOS在驱动电压幅度在低以11V时瞬间最容易损坏,这跟你描述的MOS开通过程现象相吻合。多数芯片逗B,偏偏关闭电压为8-9V,故意这样做一样,MOS管才有生意兴旺,

开机烧机是瞬间电流应力,关机烧机就是关闭瞬间的驱动电压,特别是重载关闭。
何仙公
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  • 2016-9-29 14:27:59
 
让MOS工作在弥勒平台开启之前,会有什么后果
xkw1cn
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  • 2016-9-29 16:22:11
 
要么不开;要么不关。
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 16:29:38
 
从miller平台开始,Vds才开始下降,如果一直在miller平台之前,大电压,大电流,MOS就坏啦!
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-29 16:26:47
 
米勒平台MOS都有,不光超结有。驱动电压低于11V或者某个值,MOS的Rdson还没有降到最低,损耗就大,当然容易损坏。
xkw1cn
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  • 2016-9-29 16:21:25
 
1)超级结;由于有PN结增益效应,就会有少子复合过程。而平面工艺;没这问题;是多子结构,无少子复合过程。
2)米勒效应;实际是变电动充电、放电效应。平面结里;PN结是固定的,而超级结不是。

可以拿双脉冲板测一下。相信理论不会有问题。
ganzzur
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本网技工
  • 2016-9-29 17:51:59
 

引自:功率半导体器件基础(Baliga)

引自:功率半导体器件基础(Baliga)
平面VDMOS引自:功率半导体器件基础(Baliga),超结余平面的唯一区别是超结的结面积较大,P柱区与N柱区接触的都是PN结,结面积大,所以体二极管反向恢复较明显;而且NMOS导电沟道是P型硅反型得到的N型即电子是多子,所以说只要是MOS都可以算是多子导电,然而所有MOS都存在漏极与P区的二极管,因此都会有少子复合,只是少子数量不同而已,反向恢复时间长短而已,并不是你所说的平面工艺没有少子复合。
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-30 08:54:50
 
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xd285070
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副总工程师
  • 2016-9-29 17:54:28
 
虽然听不懂在说什么,不过好厉害的样子
ganzzur
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本网技工
  • 2016-9-29 18:02:05
 
所谓阻挡层概念源于金半接触吧, jin.jpg 再说再复杂的东西总有某些因素占主因,有些不占主因,虽然不占主因的对结果有时候影响很大,可是总不能在分析问题时把所有因素考虑吧,我觉得上面分析问题主要是考虑MOSFET的工作机理,并不是要探讨电路中集成参数,所以有些能化简的就化简,这不很正常吗,那些分析buck,boost的书不都是简化之后分析么??或者可以参看教材:半导体物理和器件(尼曼)(中文),功率半导体器件基础(Baliga)(英文)
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-30 08:55:49
 
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nchkdx114
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助理工程师
  • 2016-9-29 20:46:13
 
有仿真例子更好,可以自己试试
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-9-30 10:05:40
 
仿真可以自己随便搭一个,用simplise或者LTspice,都可以看到这个过程。
何仙公
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版主
  • 2016-10-1 18:41:06
 
经常IC介绍自己的驱动电流有多大。但是从来不了解。驱动电流和MOS之间的数学公式。比如在输入低压时,我们都发现驱动能力不足了。在工程计算上,如何事先预知驱动电流究竟如何取值
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-9 13:21:28
 
可以根据MOS的结电容大概估算。
何仙公
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  • 2016-10-9 14:52:06
 
能否精算!
电源之友
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高级工程师
  • 2016-10-9 11:49:29
 
佩服女工程师
Coming.Lu
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版主
  • 2016-10-8 16:14:49
 
不错,给你加5个豆。
西安龙腾技术宅
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助理工程师
  • 2016-10-9 13:20:06
 
多谢陆版主
世纪电源网-九天
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超级版主
  • 2017-1-11 09:32:35
 
问一下楼主  现在这篇文章是已经完结了吗???
XIAOTU80
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  • 2016-11-17 08:49:40
 
收藏一下,看来研究的很深入
spirite219
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助理工程师
  • 2016-11-17 09:41:56
 
学习学习~~~~~~~~~~
骑着蜗牛去看雪
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本网技师
  • 2016-12-27 10:19:13
 
牛逼牛逼,刚刚做器件。学习了
lanyuye00
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本网技师
  • 2017-2-8 23:26:07
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mark。
jaywq
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  • 2017-3-1 08:21:36
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燕大的图书馆开始翻新了,被脱光了的感觉
sh1503009
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  • 2017-3-6 16:05:30
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学习了
killaws
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  • 2017-3-7 08:22:23
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涨知识了,谢谢!
zxz
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  • 2017-3-10 23:21:04
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仔细看了MOSFET开通过程分析,感谢分享!
漆黑之牙
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本网技师
  • 2017-3-11 10:18:44
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我做的一个电流源遇到点问题,想请教一下大家跟MOSFET的开关过程有没有关系。原理图以给出,示波器中通道一是负载电流IL,通道二是两个MOSFET的驱动波形,理论上两个MOSFET同时开通和关断(MOS开通时电感电流上升,关断时电感电流下降,从而保持电感电流维持在一个数值上下),MOSFET和二极管都是碳化硅的,二极管的反向恢复应该很小,datasheet中说是没有。问题就是通道1中那个电流在每次开关瞬间都会产生一个尖峰,我是用的霍尔传感器测的电流,这个尖峰电流感觉实际中不应该存在啊,有没有可能是我测量的问题?还是有可能在MOSFET开关过程中有可能产生这个问题是我没解决好?搞了我大半年了,一直解决不了这个问题。在此想求助于各位大神,如果有遇到过类似的情况,麻烦告知下,先谢谢了
895022450000814574.jpg
新建 Microsoft Office Visio 绘图.jpg
小鸡腿123_
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本网技工
  • 2017-9-21 14:46:54
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才接触开关电源,比如UC2845这个芯片来说,周围的电阻电容怎么计算?
学123
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