在设计电源时,工程师通常将效率下降的原因重点放在与MOSFET的传导损耗有关上。在存在大RMS电流的情况下,例如在不连续导通模式(DCM)下工作的转换器所经历的电流,设计人员可以选择低RDS(on)MOSFET,这意味着更大的裸片尺寸和更大的输入电容。减小传导损耗的代价是增加输入电容,并相应增加控制器的功耗。随着开关频率的增加,这个问题变得更加棘手。
MOSFET导通和关断时,需要考虑栅极电流。 在导通时间内,流入控制器VCC的峰值电流将MOSFET栅极充电至VCC。 在关断时间内,存储的电流循环回到芯片地。 如果我们整合相应的区域,实际效果如下
我们得到驱动晶体管的栅极电荷Qg,再乘以开关频率Fsw,得到控制器VCC输送的平均电流(值得注意此时栅极中的平均电流为零)。可以得出,控制器产生的总开关功率(忽略导通损耗)为:
如果我们从一个12V控制器以100kHz的开关速度驱动一个100nC的栅极电荷MOSFET,则驱动器中的功耗为:
鉴于其物理结构,MOSFET具有许多寄生元件,其中电容起着重要的作用。 MOSFET中这些元件的基本配置将Cgd表示为从栅极连接到漏极的电容器,Cgs表示为从栅极连接到源极的电容器,而Cds表示为从漏极连接到源极的电容器。 这些术语定义了以下数据表符号:
驱动程序看到的实际上是门到源的连接。 当将具有斜率dt的电压V施加到电容器C(例如,驱动器的输出电压)时,它将在电容器内部推动电流为:
当我们向MOSFET施加电压时,我们会产生一个等于Igate = i1 + i2的输入电流Igate。 将上述方程与正确的电压节点结合使用可得出:
当我们在MOSFET的栅极-源极上施加电压Vgs时,我们知道即使它是非线性的,其漏极-源极电压Vds也会下降。 因此,我们可以通过以下方法定义连接这两个电压的负增益:
带入上述公式可以得到:
在导通或关断期间,从栅极源电极“看到”的总等效电容器Ceq为:
术语(1 – Av)称为“米勒效应”,它描述了电子设备的输出和输入之间的电容性反馈。 多年前,约翰·米勒(John M. Miller)首次在真空管中研究了这种现象。 当栅极-漏极电压接近零时,实际上会发生米勒效应,这是因为这是发生最陡峭跃迁的地方。
图1 MOSFET典型栅极电荷图
图1表示功率MOSFET的典型栅极电荷图。 通过恒定电流对栅极充电并观察栅极-源极电压获得该图。 当Ciss根据等式5突然增加时,电流持续流动。 但是,由于电容器急剧增加,因此相应的电压增加dVgs受到严格限制;因此,几乎为零的斜率:也就是图1中所示的平稳段。
正如Qg图还显示的那样,减小过渡期间Vds(t)有助于降低平台效应。我们可以看到,与Vds = 400V相比,在Vds = 100 V时,平稳宽度(对应于注入的库仑)减小了。曲线下方的面积也减小了。因此,如果我们设法在MOSFET的Vds等于零时导通MOSFET,那么米勒效应就会消失。在零电压下操作电源开关的技术称为零电压开关(ZVS),一种廉价的方法是使用准谐振(QR)模式的反激式转换器。我们没有等到下一个时钟周期打开开关,而是等到漏极上的自然振铃将电压推至接近零时为止。此时,通过专用引脚检测到,控制器重新激活晶体管。 ZVS操作通过在开关处反射足够的反射电压(N×[Vout + Vf])获得,因此需要通常为700 V(通用范围)的高压MOSFET。图2显示了基于MPS的HFC0100的QR草图。图3显示了该转换器在ZVS模式下工作时的栅极-源极电压和漏极波形,我们可以看出没有发现在硬开关中的米勒平台。
图2 基于HFC0100的准谐振反激原理图
图3 准谐振波形
我们从波形中可以看出没有明显的弥勒平台,但是会有一个凸起的震荡,我们透过该现象通过仿真来还原该现象,分析是啥原因,仿真是基于Simetrix/simplis使用infineonMOS实际模型进行仿真。
1、寄生参数较大时
2、寄生参数较小或不存在时
这里要说明一下,仿真的精度会影响还原实际的效果, 不过我们不难发现,感性负载也就是杂散电感在Vgs上生成的电压尖峰往往会在米勒平台之前, 由于 IDS的上升过程和 VGS进入 米勒平台为同一时间,在杂散电感上形成的感应电压便叠加在了米勒平台区间 ,而杂散电感较小或者单纯阻性时,由于是准谐振模式,几乎看不见米勒平台
总之,如果需要大的Qg MOSFET,在ZVS中运行反激转换器是一个减少与平均驱动电流相关的损失的好主意。 该技术也广泛用于谐振转换器。