消除米勒效应.doc

设计电源时,工程师常常会关注与MOSFET导通损耗有关的效率下降问题。在出现较大RMS电流的情况下, 比如转换器在非连续导电模式(DCM)下工作时,若选择Rds(on)较小的MOSFET,芯片尺寸就会较大,从而输入电容也较大。也就是说,导通损耗的减小将会造成较大的输入电容和控制器较大的功耗。当开关频率提高时,问题将变得更为棘手。
图1  MOSFET导通和关断时的典型栅电流
图2 MOSFET中的寄生电容
图3 典型MOSFET的栅电荷
图4  基于专用控制器的简单QR转换器
图5 ZVS技术消除米勒效应
MOSFET导通和关断时的典型栅电流如图1所示。在导通期间,充电;在关断期间,存储的电流流向芯片的接地端。如果在相应的面积上积分,即进行篿gate(t)dt,则可得到驱动晶体管的栅电荷Qg 。将其乘以开关频率Fsw,提供的平均电流。因此,控制器上的总开关功率(击穿损耗不计)为:
Pdrv = Fsw×Qg×Vcc                     (1)
如果使用开关速度为100kHz 的12V控制器驱动栅电荷为100nC的MOSFET,驱动器的功耗即为100nC×100kHz×12V=10mA×12V=120mW。
MOSFET的物理结构中有多种寄生单元,其中电容的作用十分关键,如图2所示。产品数据表中的三个参数采取如下定义:当源-漏极短路时,令Ciss = Cgs + Cgd;当栅-源极短路时,令Coss = Cds +  Cgd;Crss = Cgd。
驱动器实际为栅-源极连接。当斜率为dt 的电压V施加到电容C上时(如驱动器的输出电压),将会增大电容内的电流:
I=C×dV/dt                                  (2)
因此,向MOSFET施加电压时,将产生输入电流Igate = I1 + I2,如图2所示。在右侧电压节点上利用式(2),可得到:
I1=Cgd×d(Vgs-Vds)/dt=Cgd×(dVgs/dt-dVds/d
t)                                         (3)
I2=Cgs×d(Vgs/dt)                          (4)
如果在MOSFET上施加栅-源电压Vgs,其漏-源电压Vds 就会下降(即使是呈非线性下降)。因此,可以将连接这两个电压的负增益定义为:
Vgs                                dVds/dAv=- (5)
将式(5)代入式(3)和式(4)中,并分解 dVgs/dt,可得:
Vgs)=Cgd×dVgs/dt×(1-Av)                      dVds/dI1=Cgd×dVgs/dt×(1- (6)
在转换(导通或关断)过程中,栅-源极的总等效电容Ceq为:
Igate=(Cgd×(1-Av)+Cgs)×dVgs/dt=Ceq×dVgs/dt                                       (7)
式中(1-Av)这一项被称作米勒效应,它描述了电子器件中输出和输入之间的电容反馈。当栅-漏电压接近