Efecto MOSFET Miller: longitud del área plana del voltaje de la puerta

Conmutación MOSFET

Primero modelemos aproximadamente el comportamiento de conmutación de carga inductiva MOSFET, lejos de un estudio completo sobre el tema, solo recordaré los puntos principales y luego me centraré en el período de pendiente de voltaje.

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

La fase de encendido se puede dividir aproximadamente en 4 subperíodos aquí representados.

1. Tiempo de retardo ($t_0,t_1$), el voltaje de la compuerta aumenta exponencialmente mientras está por debajo del voltaje de umbral, no fluye corriente de drenaje, toda la corriente de carga ahora está circulando a través del diodo de rueda libre, el drenaje está en cortocircuito a Vcc por este diodo de estado ENCENDIDO.

2. Pendiente actual ($t_1,t_2$), cuando$v_\text{GS}$cruza el umbral$i_\text{D}$comienza a aumentar y priva al diodo de rueda libre, cuando el voltaje de la compuerta y, por lo tanto, la corriente de drenaje es lo suficientemente alto como para que la corriente del diodo llegue a cero, el diodo de rueda libre se abre (ignore la recuperación), de ahora en adelante$v_\text{DS}$puede cambiar.

3. Pendiente de tensión ($t_2,t_3$), ahora MOSFET tiene flujo de corriente de drenaje y$V_\text{DS}$puede cambiar, en realidad está en la región activa y funciona como un amplificador inversor lineal de alta ganancia. Su entrada (puerta) y salida (drenaje) están en cortocircuito por$C_\text{rss}$capacitancia, esto convierte a toda la etapa en un integrador inversor, al igual que el que se construiría alrededor de un amplificador operacional, el voltaje de la puerta permanece constante a lo que se llama meseta de Miller.

4. Recarga de puerta ($t_3,t_4$), cuando$v_\text{DS}$se acerca a cero, el MOSFET sale de la región activa para ingresar a uno óhmico, ahora está completamente ENCENDIDO, el voltaje de la puerta completa su aumento exponencial desde la meseta de Miller hasta$V_\text{GS(on)}$como está configurado en el controlador de puerta.

El desvío se puede modelar aproximadamente simplemente invirtiendo los pasos anteriores, de cuatro a uno.

Una vez más deseo aclarar que todo lo anterior es solo un modelo muy básico del comportamiento real y el gráfico anterior también es una aproximación muy simplificada y muchas condiciones pueden cambiar significativamente lo anterior.

Pendiente de tensión

Vayamos al punto recordado en la pregunta, se aplica el siguiente esquema.

En su lado izquierdo vemos:

• $i_\text{D}$ahora ha alcanzado la corriente que fluye en el inductor (carga) y, por lo tanto, el diodo de rueda libre ahora está en circuito abierto y se ha eliminado.
• El inductor de carga en sí mismo está modelado como un generador de corriente, ya que los tiempos de conmutación son tan rápidos que la dinámica del inductor que no permite que ocurra ningún cambio de corriente.
• $v_\text{GS}$es ahora lo que se requiere para dejar exactamente$i_\text{D}$fluir, es decir$v_\text{GS,Miller}=V_\text{GS(Th)}+{i_\text{D}}/{G_\text{f}}$. permanece constante desde$i_\text{D}$también es constante.
• El MOSFET M1 funciona como un amplificador inversor, la fuente de corriente y la resistencia de salida del MOSFET son su carga.

^{simular este circuito}

Todo lo anterior se asemeja al integrador inversor representado en el lado derecho donde la tasa de cambio del voltaje de salida se puede escribir como

donde Q es la carga "bombeada" en la puerta.

Reorganizando un poco finalmente llegamos a la relación.

La respuesta

Ahora que tenemos las herramientas, el gráfico publicado originalmente muestra una fuerte caída en el lado izquierdo y una línea plana de cero voltios inmediatamente después.

Esto es básicamente incorrecto, el voltaje de drenaje no se puede detener mientras el voltaje de la puerta esté en la meseta de Miller.

Lo que es engañoso es esperar$C_\text{rss}$ser constante para obtener uno de esos agradables gráficos ideales incluidos en más o menos todas las notas de la aplicación.

En cambio, una mirada rápida a la capacitancia para drenar el diagrama de voltaje aclara que$C_\text{rss}$se extiende durante casi tres décadas desde 10pF a altos voltajes hasta 4nF a bajos voltajes.

Esto cambia drásticamente la$v_\text{DS}$pendiente, toma alrededor$10\,\text{pF}\times 350\,\text{V}=3.5\,\text{nC}$para pasar de 400V a 50V, mientras que alrededor$2\,\text{nF}\times 20\,\text{V}=40\,\text{nC}$se puede calcular para abarcar los últimos 20 V más o menos.

Se debe admitir que dibujar una diferencia de pendiente de 1:400 en ese gráfico Y lineal es de hecho una tarea desafiante, exagerando un poco, así es como podría verse.

Terminaría confirmando que tal fenómeno es claramente visible en capturas reales de alcance de conmutación una vez que sepa dónde buscar.

(Solo tenga en cuenta que esto es un desvío y, por lo tanto, parece volteado verticalmente)

Eso parece un poco sospechoso. Ciertamente, todas las curvas teóricas que puede encontrar muestran que la meseta de Miller termina cuando Vds cae a su mínimo, como esta de una hoja de datos de IR,

o este de una hoja de datos Alpha y Omega

Las curvas reales de Vgs nunca son tan nítidas como estas, entonces, ¿quizás se han desinfectado en curvas ordenadas de segmento de tres líneas? Este, de una nota de la aplicación Toshiba , parece estar de acuerdo con el comportamiento teórico.