【技术】米勒效应对MOSFET的危害

2023-04-25 MDD辰达半导体公众号
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对于MOSFET,米勒效应(Miller Effect)指其输入输出之间的分布电容(栅漏电容)在反相放大作用下,使得等效输入电容值放大的效应。由于米勒效应,MOSFET栅极驱动过程中,会形成平台电压,引起开关时间变长,开关损耗增加,给MOS管的正常工作带来非常不利的影响。本文辰达行将介绍米勒效应对MOSFET的危害。


理解米勒效应

可以看成是一个电容的负反馈。在驱动前,Crss上是高电压,当驱动波形上升到阈值电压时,MOS管导通,d极电压急剧下降,通过Crss拉低g脚驱动电压,如果驱动功率不足,将在驱动波形的上升沿阈值电压附近留下一个阶梯,如下图。



有时甚至会有一个下降尖峰趋势平台,而这个平台增加了MOS管的导通时间,造成了我们通常所说的导通损耗。


MOSFET结构及寄生电容的分布

MOSFET结构



图1是垂直型MOSFET的结构,它是一个由P区域和N+的源区组成的双扩散结构。漏极(drain)和源极(source)分别放在晶圆的两面,这样的结构适合制造大功率器件。因为可以通过增加外延层(epitaxial layer)的长度,来增加漏源极之间的电流等级,提高器件的击穿电压能力。另外从图中,还可以清晰看出MOSFET的寄生体二极管。


寄生电容



MOSFET的寄生电容主要包括栅源电容(Cgs)、栅漏电容(Cgd)以及漏源电容(Cds)。从图2中左图看到,Cds是由漏极和源极之间的结电容形成,Cgd栅极和漏极间的耦合电容。Cgs则较为复杂,由栅极和源极金属电极之间的电容Co、栅极和N+源极扩散区的电容CN+,以及栅极和扩散区P区的电容Cp组成。



一般器件的手册中,都会以下列形式给出MOSFET的寄生电容,

输入电容:Ciss=Cgd+Cgs

输出电容:Coss=Cgd+Cds

反向传输电容:Crss=Cgd


MOSFET的开通过程

①t0—t1阶段

这个过程中,驱动电流ig为Cgs充电,Vgs上升,Vds和Id保持不变。一直到t1时刻,Vgs上升到阈值开启电压Vg(th)。在t1时刻以前,MOS处于截止区。


②t1—t2阶段

t1时刻,MOS管就要开始导通了,也就标志着Id要开始上升了。这个时间段内驱动电流仍然是为Cgs充电,Id逐渐上升,在上升的过程中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。

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,只要Id不变Vgs就不变。Id在上升到最大值以后,而此时又处于饱和区,所以Vgs就会维持不变。


③t2—t3阶段

从t2时刻开始,进入米勒平台时期,米勒平台就是Vgs在一段时间几乎维持不动的一个平台。此时漏电流Id最大。且Vgs的驱动电流转移给Cgd充电,Vgs出现了米勒平台,Vgs电压维持不变,然后Vds就开始下降了。


④t3~t4阶段

当米勒电容Cgd充满电时,Vgs电压继续上升,直至MOS管完全导通。

以上是MOS管开通的四个过程。

所以在米勒平台,是Cgd充电的过程,这时候Vgs变化很小,当Cgd和Cgs处在同等水平时,Vgs才开始继续上升。


米勒效应对MOSFET开关过程的影响

下面以图4中电机控制电路来说明米勒效应对MOSFET开通关断过程的影响。在图10控制电路中,上管导通时,VDD通过Q1、Q4对电机进行励磁;上管关断时,电机通过Q4、Q3进行去磁。在整个工作过程中,Q4一直保持开通,Q1,Q2交替开通来对电机转子进行励磁和去磁。


图5,图6是上下管开通关断时驱动电压测试波形。可以清楚的看到,在上管开通和关断时,下管栅极上会产生一个尖峰,尖峰的电压增加了上下管同时导通的风险,严重时会造成非常大的电流同时流过上下管,损坏器件。


下管开通关断出现的这种波形是由漏栅电容导致的寄生开通现象。在下管关断后,上管米勒平台结束时,桥臂中点电压由0升到VDD,MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此在漏栅电容产生的电流会流到栅极,经栅极电阻到地,这样就会在栅极电阻上产生的电压降。这种情况,就会可能发生上下管同时导通,损坏器件。


下管的这个Vgs尖峰电压(也有公司称之为Vgs bouncing)可以表达为:



Rgoff驱动关断电阻,Rg,ls(int)为MOSFET栅极固有电阻,Rdrv为驱动IC的电阻。从公式(1)可以看到,该电压与Rgtot和Cgd呈正向相关。


所以解决这个问题有两类方法:

1.减小Rgtot。由公式(2)知道,Rg,ls(int)由器件本身决定,Rdrv由驱动IC决定,所以一般是选择合适的Rg来平衡该Vgs bouncing电压。


2.选择Crss/Ciss(即Cgd/Cgs)低的MOSFET有助于降低Vgs尖峰电压值。或者在MOSFET栅源之间并上一个电容,也会吸收dV/dt产生的漏删电流。图7是在下管的GS两端并联5.5nF电容后的开关波形,可以看到电压明显降低,由图5中的3.1V降低到1.7V,大大降低了上下管贯通的风险。



同理,上管关断至米勒平台结束时,下管开通前,桥臂中点电压由VDD降为0,MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此就会在栅极上面产生一个负压。


同时,由图5,图6,可以观察到,下管开通关断过程中,都没有出现米勒平台现象。这是因为在其开通关断时,由于Motor中的电流经过下管的体二极管续流,DS两端电压很小,所以米勒平台也就形成不了了。


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辰达行(Microdiode)是一家专业从事半导体分立器件研发生产的高新技术企业,拥有自主品牌“MDD”,致力于二极管晶圆芯片研发及生产,拥有多种封装形式的二极管/整流桥生产线,品种规格齐全。辰达行(Microdiode)通过了ISO9001,ISO14001等体系认证,产品获得UL等认证,并符合最新欧盟(RoHS、REACH)标准,年产销二极管、整流桥总量约60亿只,远销欧美及东南亚地区。

【选型】辰达行(Microdiode)ESD防护器件/二极管/MOSFET/晶体管/整流桥选型指南(简版)

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型号- 1A1,KBPC35005,8A005G,MB10M,MB10S,1A7,SOD1E8,SF51,MB10F,SMCJ440CA,SS1200,1N5408G,SOD1E1,SD103AW,S2MW,10A005G,SF58,FR301G,HER101,FR107G,RS1A,RS1M,MMBT2907A,MURS420,SMF5.0CA,SOD1F7,GBU1510,KBPC5010,MMBT4403,HER108,MUR1100,SOD1F1,SD03,S2MF,HER508G,MB110S,RS3A,6A10G,MBR10200CT,ESD2401OC,GBJ25005,HER201,SD36,MBR1045CT,SB15100L,GBU15005,TB10S,KBU15005,RS3M,US2AW,DL4937,MSB40M,2SC3356,SOD1H8,KBPC3510W,SF61,SOD1H1,KBPC6005,HER208,FR601,SMF5.0A,US1AF,FR607,S1MF,SF68,SB1045L,FR207G,MBRB3040CT,RS2A,1SMA4764A,UG3KB05,MSB40D,SD103AWS,RS2M,LM4001,DL4933,GBLC03CI,MMBT5401,LM4007,SS22,SFF1601CT,RS5A,KBL4005,HER301,KBPC2510W,ESD5B5CL,ESD5B5CM,SL1545,SS32,ST1045,1N5391G,GBU3510,1F1,1N5400,6A005,KBL410,RS5M,UF4001G,MSB30M,1F7,1N5408,HER608G,SS12,SMAF440CA,HER308,SF501ET,US2AF,SS3200,W10,UM10B,SF501ED,MMBZ27VAL,MSB30D,DL5817,SD103CW,DL5819,DLFR101,MB12S,GBU410,ESD8D8V0-36,MBRF3045CT,GBU25005,BZX84C43,FR307G,GBJ35005,1H1,UF5A,SS52,ESD5Z3V3,1H8,ESD0501BL,S10A,RS6A,SS2200,US3AF,BSSN20,KBPC25005,SMAF5.0A,DB207S,GBLC24CI,DLFR107,SR1200,S10M,RS6M,SD103CWS,MUR4100,KBU8005,1N4933G,TT6MF,SF61G,ESD0301BL,B5819W,SK8200,MBR30200CT,MBR845,SM24C,KBPC50005W,2N7002K,DB107S,UG3KB100,RS3AF,MBRD5200T,KBJ410,KBL610,SR2200,KBPC8005,FR301,RS5ABF,BZT52C5V1T,US2MW,FR601G,US5MBF,FR307,UF5M,SS1200F,US2MF,1N4001,1N4007,SMAJ440A,SR3200,KBPC10005,SF51G,US2A,ESD0504TL,SFF1608CT,MURS120,KBPC1510,AO3460,TT6KF,HER208G,GBU6005,RS2AF,US2M,MB05S,MBRF2045CT,FR201,10A10,MB05M,US1A,MBRF30200CT,8A10G,FR207,SF506ET,1SMA5957A,ESD0501OC,MB05F,ST2045,US3MF,US1M,10A010G,SF506ED,TB05S,S8550,SMBJ5.0A,1N5399G,1N4937G,M1,KMB120F,BSS123,M7,MURS460,MBRF20200CT,KBPC25005W,SMCJ440A,SMAJ5.0CA,GBU8005,MBRD1040D,RL207,GBJ10005,GBU150005,SB10100L,HER501G,KBJ610,RL201,BSS138,FR101,ESD8D12V,US3A,FR107,SMDJ5.0CA,MBRD5200TT,MUR420,SF801,ESD3Z5V0BU,ESD5Z36,HER308G,MBR20200CT,SMDJ5.0A,DB201S,MBRD5200,8A005,SF808,UF5400G,US3M,S5AF,S1A,KBU6005,SMCJ5.0CA,B5817W,ST510C,SMF440CA,B772,S1M,KBL6005,MBRD540T,S1AF-S1MF,ST510A,MMBT2222A,ST510B,DB101S,S2A,KMB220F,MBRD10200D,FR607G,KBJ4005,UF4007G,US5A,1SMA5913A,S2M,US5M,SS5200,1N5391,KBU610,1N5399,SM03,HER601G,1SMA4728A,SMBJ5.0CA,S3A,SR5200,SF21G,UF5408,MBR3045CT,SS3200F,S3M,UF5400,B5819WS,AO3400,HER101G,KBPC810,KBPC3510,ESD3Z3V3BU,SM36,GBU4005,RL201G,SD03C,SF68G,MBRD540D,RS5MBF,SF1601,FR151G,DSK320,GBU20005,6A005G,ESD05D6BU,SMBJ5333A,MBRF1045CT,ESD05D6CU,6A10,GBJ1510,ESD5Z3.3L,US5ABF,M1F-M7F,MBRF10200CT,ESD5Z3.3C,S5A,SMF440A,FR151,ABS10,S3AF,SR320,SF11G,1N4001S,FR157,SF1601CT,SB1545L,2SC1623,S5M,MURS1100,ES1JF,SS52F,1N4001G,SF1608,DL4001,GBJ2510,W005,KBU2510,DL4007,DB157S,S6A,ES2JW,SF58G,ABS05,ST510BF,DSK220,DSR0.3A,S6M,BZT52C75,D882,ES2JF,HER201G,ESD8D3V3,KBU810,MUR120,DSR0.3M,BZT52C5V47T,S2AF,ESD5Z5.0L,DB157,ABS210,BZT52C47T,KBP2005,SFF808,10A005,S2AW,DB151,ABS205,KBPC15005W,KBP210,SFF801,ESD5Z5.0C,RS1AF,SFF21608CT,UF5408G,RS2AW,KBJ6005,SMBJ440CA,KBU10005,KBPC2510,SM03C,ES3JF,SS2200F,SMAJ5.0A,SR520,SF31G,S1AF,SI2310,S8050,ESD0502TL,HER301G,BSN20,MMBZ5V6AL,RL207G,KBP310,SMDJ440CA,S9012,BZT52C2V0,SI2300,KBP3005,GBJ8005,FR157G,UM1B,SL2045,8A10,BZT52C2V0S,SS8550,US1MF,SF2060CT,KBU1510,HER108G,S9018,SD36C,RS1MF,1N5400G,KBPC1510W,ESD0302L,1N4007S,MBRB30200CT,SMAF440A,KBPC50005,ESD5B3CM,MM1W3V3,KBF2005,1N4007G,DSK32,SS22F,SF2010CT,DB151S,SR05LC,HER508,MBR8200,HER501,KBPC5010W,KMB14F,RMB12F,DSK22,ST54A,ESD0302TL,ST54B,BC858,GBU35005,ST54C,SF28G,2N7002,M1F,ES1J,ESD0522P,GBU610,SMBJ5362A,SM712,KBPC310,SL1045,MM1W330,BZX84C2V4,2W005,DSK12,ES1AF,2W10,ES2A,SS12F,ST54BF,SS5200F,1N4933,SMAF5.0CA,HER608,DB107,1N4937,GBU1010,DB101,GBJ1010,UF4007,KBPC15005,FR101G,ESD5B5CU,HER601,UF4001,SMAJ440CA,KMB24F,SK82,S5MF,ES1A,SF18G,RS3MF,BZT52C75S,KBU1010,ES3J,SR220,SMDJ440A,ES2AW,GBU2010,ESD0524P,KBPC610,SF1608CT,SF11,KBPC1010,ES2AF,SF18,BC807,B5817WS,SOD4007,SB20100L,1SMB5956A,ES2J,DB207,SL10100,DB201,DSK120,SOD4001,SFF1601,RMB16F,1SMB5913A,ES3A,SS8050,GBU10005,SMBJ440A,RS2MF,GBJ15005,ES5J,GBJ810,1N5817,SR120,ESD5Z2.3L,SFF1608,1N5819,GBU810,KBU25005,FR201G,RS2MW,ESD0502L,SF31,ES3AF,SF38,1N5820,SS32F,1N5822,SB2045L,SMCJ5.0A,SF21,GBJ3510,ES5A,MBR2045CT,SF38G,M7F,KBPC35005W,S3MF,SF28

选型指南  -  辰达行  - 2020年 PDF 中文 下载

辰达行携整流器件、小信号器件、保护器件、MOSFET和SiC器件亮相elexcon2024深圳国际电子展

8月27日至29日,elexcon2024深圳国际电子展在深圳会展中心(福田)隆重开幕。此次展会中,MDD辰达半导体精彩亮相,展示了其最新系列产品及针对工业控制、汽车电子、智能家电等领域的应用方案。

原厂动态    发布时间 : 2024-09-03

4种常见栅极驱动电路,MOS管应用于开关电源的关键

MOS管因为其导通内阻低,开关速度快,因此被广泛应用在开关电源上。而用好一个MOS管,选择MOS管,其次驱动电路的设计就很关键。本文分享几种常用的驱动电路。

技术探讨    发布时间 : 2024-01-04

辰达行推出NMOS管MDD90N03D,具有热性强、高负载电流能力等特点,有效提高系统效率

辰达行半导体生产的一款MDD90N03D是采用N沟道制作的MOS管,产品具有很强的电性参数的性能,其能承受的最大漏源电压30V,栅源电压±20V,连续漏极电流90A,漏源导通电阻0.0056欧姆,最小栅极阈值电压1.2V,最大栅极阈值电压2.5V,耗散功率95mW,重量约0.016克,非常轻巧。它的导通电阻非常低、开关速度快、耐电流能力强,非常适合于LED驱动电路、稳压电路、开关电路等。

产品    发布时间 : 2024-08-22

【产品】辰达行推出新一代国产MOSFET产品,能更好解决锂电池核心问题——充放电安全问题

MDD辰达行为解决锂电池保护问题,推出新一代的国产MOSFET产品,能更好的保护锂电池的充放电安全问题,锂电池供电设备的安全性是人们目前最为关注的问题,对其保护就非常重要,锂离子电池保护主要包括过充电保护,过放电保护,过电池及短路保护等。

原厂动态    发布时间 : 2022-08-16

【选型】辰达行解析MOSFET在BMS的应用案例及选型

电池管理系统是一种能够对电池进行监控和管理的电子装备,是电池与用户之间的纽带。通过对电压、电流、温度以及SOC等数据采集,计算进而控制电池的充放电过程,主要就是为了能够提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电。

器件选型    发布时间 : 2023-02-16

MOS的优势有哪些?

MOS广泛应用于各种电子元件和集成电路中,如微处理器、存储器、模拟电路等。MOS技术的优越性在于其高效能、低功耗和高集成度,使其成为电子产品设计中的首选。本文中辰达行为大家详细介绍MOS的七种优势:高集成度、低功耗、高速度、制造工艺成熟、设计灵活性、可靠性和耐久性以及低噪声。

技术探讨    发布时间 : 2024-07-29

辰达半导体将携MOSFET,二极管,三极管,桥堆,SiC等产品及相关应用方案出席慕尼黑华南电子展

2023华南国际智能制造、先进电子及激光技术博览会(LEAP Expo)旗下成员展——慕尼黑华南电子展(electronica South China)将于10月30-11月1日在深圳国际会展中心(宝安新馆)举办。作为本次展览会的参展商之一,MDD辰达半导体将在展会现场展示五大产品矩阵,包括MOSFET,二极管,三极管,桥堆,SiC等产品及相关应用方案。

原厂动态    发布时间 : 2023-10-21

全面解析MOSFET产业链

MOSFET是一种广泛应用于模拟电路与数字电路的场效晶体管,用于将输入电压的变化转化为输出电流的变化,可实现开关和信号放大等功能,具有开关速度快、输入阻抗高、热稳定性好等特性,应用于包括通信、消费电子、汽车电子、工业控制在内的众多领域,本文将解析MOSFET产业链。

设计经验    发布时间 : 2024-07-05

数据手册  -  辰达行  - V 1.0  - 2024/6/18 PDF 英文 下载

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品牌:辰达行

品类:N-Channel Enhancement MOSFET

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品牌:辰达行

品类:N沟道增强型MOS管

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品类:Encapsulate MOSFETS

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品类:N沟道增强型MOS管

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品类:Mosfet

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品牌:捷捷微电

品类:MOSFET

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品牌:RENESAS

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品牌:MCC

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功率MOSFET管检测:动静态参数/热特性/高低温性能/可靠性等参数测试

可根据用户的MOSFET管进行参数检测出具报告,静态参数最大电压:7500V、检测最大电流6000A;动态参数最大电压:3300V、检测最大电流:4500A。该测试标准满足GB、IEC及行业标准等,具备可靠性评估及老化实验能力。

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