在設計電源時,工程師通常將效率下降的原因重點放在與MOSFET的傳導損耗有關上。在存在大RMS電流的情況下,例如在不連續導通模式(DCM)下工作的轉換器所經歷的電流,設計人員可以選擇低RDS(on)MOSFET,這意味著更大的裸片尺寸和更大的輸入電容。減小傳導損耗的代價是增加輸入電容,并相應增加控制器的功耗。隨著開關頻率的增加,這個問題變得更加棘手。
MOSFET導通和關斷時,需要考慮柵極電流。 在導通時間內,流入控制器VCC的峰值電流將MOSFET柵極充電至VCC。 在關斷時間內,存儲的電流循環回到芯片地。 如果我們整合相應的區域,實際效果如下
我們得到驅動晶體管的柵極電荷Qg,再乘以開關頻率Fsw,得到控制器VCC輸送的平均電流(值得注意此時柵極中的平均電流為零)。可以得出,控制器產生的總開關功率(忽略導通損耗)為:
如果我們從一個12V控制器以100kHz的開關速度驅動一個100nC的柵極電荷MOSFET,則驅動器中的功耗為:
鑒于其物理結構,MOSFET具有許多寄生元件,其中電容起著重要的作用。 MOSFET中這些元件的基本配置將Cgd表示為從柵極連接到漏極的電容器,Cgs表示為從柵極連接到源極的電容器,而Cds表示為從漏極連接到源極的電容器。 這些術語定義了以下數據表符號:
驅動程序看到的實際上是門到源的連接。 當將具有斜率dt的電壓V施加到電容器C(例如,驅動器的輸出電壓)時,它將在電容器內部推動電流為:
當我們向MOSFET施加電壓時,我們會產生一個等于Igate = i1 + i2的輸入電流Igate。 將上述方程與正確的電壓節點結合使用可得出:
當我們在MOSFET的柵極-源極上施加電壓Vgs時,我們知道即使它是非線性的,其漏極-源極電壓Vds也會下降。 因此,我們可以通過以下方法定義連接這兩個電壓的負增益:
帶入上述公式可以得到:
在導通或關斷期間,從柵極源電極“看到”的總等效電容器Ceq為:
術語(1 – Av)稱為“米勒效應”,它描述了電子設備的輸出和輸入之間的電容性反饋。 多年前,約翰·米勒(John M. Miller)首次在真空管中研究了這種現象。 當柵極-漏極電壓接近零時,實際上會發生米勒效應,這是因為這是發生最陡峭躍遷的地方。
圖1 MOSFET典型柵極電荷圖
圖1表示功率MOSFET的典型柵極電荷圖。 通過恒定電流對柵極充電并觀察柵極-源極電壓獲得該圖。 當Ciss根據等式5突然增加時,電流持續流動。 但是,由于電容器急劇增加,因此相應的電壓增加dVgs受到嚴格限制;因此,幾乎為零的斜率:也就是圖1中所示的平穩段。
正如Qg圖還顯示的那樣,減小過渡期間Vds(t)有助于降低平臺效應。我們可以看到,與Vds = 400V相比,在Vds = 100 V時,平穩寬度(對應于注入的庫侖)減小了。曲線下方的面積也減小了。因此,如果我們設法在MOSFET的Vds等于零時導通MOSFET,那么米勒效應就會消失。在零電壓下操作電源開關的技術稱為零電壓開關(ZVS),一種廉價的方法是使用準諧振(QR)模式的反激式轉換器。我們沒有等到下一個時鐘周期打開開關,而是等到漏極上的自然振鈴將電壓推至接近零時為止。此時,通過專用引腳檢測到,控制器重新激活晶體管。 ZVS操作通過在開關處反射足夠的反射電壓(N×[Vout + Vf])獲得,因此需要通常為700 V(通用范圍)的高壓MOSFET。圖2顯示了基于MPS的HFC0100的QR草圖。圖3顯示了該轉換器在ZVS模式下工作時的柵極-源極電壓和漏極波形,我們可以看出沒有發現在硬開關中的米勒平臺。
圖2 基于HFC0100的準諧振反激原理圖
圖3 準諧振波形
我們從波形中可以看出沒有明顯的彌勒平臺,但是會有一個凸起的震蕩,我們透過該現象通過仿真來還原該現象,分析是啥原因,仿真是基于Simetrix/simplis使用infineonMOS實際模型進行仿真。
1、寄生參數較大時
2、寄生參數較小或不存在時
這里要說明一下,仿真的精度會影響還原實際的效果, 不過我們不難發現,感性負載也就是雜散電感在Vgs上生成的電壓尖峰往往會在米勒平臺之前, 由于 IDS的上升過程和 VGS進入 米勒平臺為同一時間,在雜散電感上形成的感應電壓便疊加在了米勒平臺區間 ,而雜散電感較小或者單純阻性時,由于是準諧振模式,幾乎看不見米勒平臺
總之,如果需要大的Qg MOSFET,在ZVS中運行反激轉換器是一個減少與平均驅動電流相關的損失的好主意。 該技術也廣泛用于諧振轉換器。