MOSFET的米勒电容Cgd很重要,1400字教你两种方式准确计算出电路中的米勒电容值

原创 硬件那点事儿 2025-01-13 08:06

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Part 01

前言

在之前的文章中,我们介绍了两种方式计算出米勒平台电压值,也说明了MOSFET的米勒效应对于MOSFET的电路设计以及器件选型有很重要的影响,米勒效应使得MOSFET栅极电压的变化变得较慢从而会影响MOSFET的开关速度,其次米勒效应导致的栅极电流的增加和电容充电过程会增加开关损耗,同时栅极电压的变化可能导致MOSFET的不稳定工作,特别是在高频或快速开关时,这可能导致振荡、过冲、甚至导致MOSFET损坏。
MOSFET米勒效应有这么多的影响,一个关键的因素就是由于栅极-漏极之间的电容Cgd的存在导致的,但是打开MOSFET的规格书,我们发现规格书中只给出了输入电容(Ciss),输出电容(Coss),反向传输电容(Crss),并没有我们想要的栅-源Cgs寄生电容,栅-漏Cgd寄生电容,漏-源Cds寄生电容,并且Cgd,Cds会随Vds电压变化,接下来我们就讲一讲如果基于输入电容(Ciss),输出电容(Coss),反向传输电容(Crss)通过计算准确得到不同Vds电压下的栅-源Cgs寄生电容,栅-漏Cgd寄生电容,漏-源Cds寄生电容。

Part 02

如何理解Ciss,Coss,Crss?

在讲解计算方法之前,我们需要理解一下输入电容(Ciss),输出电容(Coss),反向传输电容(Crss)是什么东西才行。

1. 输入电容 (Ciss)

输入电容是MOSFET的栅极到源极电容(Cgs)和栅极到漏极电容(Cgd)的总和:

输入电容代表栅极控制端对源极的电容性负载。在开关过程中,驱动电路需要克服这个电容进行充放电,从而改变MOSFET的导通或关断状态。输入电容越大,驱动电路需要更多电流和时间进行充电,开关速度会变慢。的输入电容需要更强的驱动能力,增加驱动电路功耗。

2.输出电容 (Coss)

输出电容是漏极到源极电容(Cds)和栅极到漏极电容(Cgd)的总和:

输出电容反映了漏极到源极的电容性负载特性,主要与MOSFET的耐压和电极结构有关。在LLC等谐振变换器中,输出电容参与谐振,直接影响谐振频率。

3.反向传输电容(Crss)
反向传输电容是栅极到漏极电容(Cgd),也称为"米勒电容":

反向传输电容反映了漏极电压变化对栅极电压的影响。由于漏极电压变化会通过Cgd耦合到栅极,导致“米勒效应"。在开关过程中,漏极电压变化会导致栅极电压出现额外的充放电需求,减慢开关速度。

MOSFET的Cgs、Cgd、Cds 都是非线性电容,它们随漏源电压(Vds)和栅源电压(Vgs)的变化而变化,Cgs通常为恒定值,因为它主要由栅极与沟道的重叠区域决定。Cgd在低Vds时较大,随着Vds增加而减小。Cds主要由漏源之间的结电容决定,随Vds增大而减小

所以虽然反向传输电容Crss就是栅极到漏极电容(Cgd),也就是米勒电容,但是米勒电容是随着Vds的增加而减小的,但是规格书中只会给出特定条件下的Crss,比如下图的Vds=15V,那如果我们电路中的Vds电压和规格书中的不一样怎么办呢?

Part 03

Cgs、Cgd、Cds的计算

方式1:
基于规格书给出的参数计算,缺点是MOSFET的寄生电容是非线性的,尤其是Cgd和Cds,它们会随漏源电压(Vds)变化。因此,手册中的电容值通常是在特定Vds条件下测量的。
方式2:
Ciss通常为恒定值,这样Ciss我们可以使用规格书中的值,Coss和Crss与VDS电压有关,我们就可以通过下面的计算公式来计算出我们的MOSFET电路在实际VDS电压下的Coss和Crss。
其中,VDS,spec是规格书中Crss,Coss对应的VDS测试电压,VDS,off是我们实际电路中对应的VDS电压,Crss,spec,Coss,spec是规格书中给出的Crss以及Coss值。
通过计算出实际电路对应的Vds下的Crss,Coss,再结合规格书中的Ciss就能计算出更加准确的Cgd,Cds,Cgs。

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