AOS MOSFET 寄生電容對SOA 的影響(四)

AOS MOSFET 寄生電容對SOA 的影響(四)

前三篇已經介紹理想的MOSFET的基本介紹，AOS POWER MOSFET和AOS Power Loss，本偏要來介紹對於SOA的影響，前半段會是講解Miller Effect(米勒效應) ，後半段會講解其對於SOA的影響。

米勒效應(Miller Effect) 基本介紹：

Miller Effect 是因為對米勒電容充放電所造成的效應，在Vgs開始上升(Vgs 對Cgs充電)哀超過Vgs(th)後，，此時MOSFET會進入歐姆區，Rds 會下降，由於D S 極逐漸導通，ID 會慢慢上升到IDSS，進入米勒平台，由於D S 導通，故 Vgs 要對寄生電容

充電流程(其放電為相反步驟)：

1. Vgs 提升到Vgs(th)
2. Vgs>Vgs(th)
3. Vgs 對 Cgd充電
4. Vgs 提升到訊號準位

• 圖片出自https://www.qorvo.com/design-hub/blog/using-cascode-topologies-to-beat-the-miller-effect-in-semiconductor-switches

 


1.Vgs 提升到Vgs(th)

1. Cgs 充電
2. Id=0, Rds=∞

圖片出自https://www.wpgdadatong.com/cn/blog/detail/42072

圖片出自https://www.qorvo.com/design-hub/blog/using-cascode-topologies-to-beat-the-miller-effect-in-semiconductor-switches

 

 
2.Vgs > Vgs(th)

1. Vgs 對 Cgs充電
2. Id 提升到 Idss
3. 由右圖且V=IR 可以得知Rds下降中

圖片出自https://www.wpgdadatong.com/cn/blog/detail/42072

圖片出自https://www.qorvo.com/design-hub/blog/using-cascode-topologies-to-beat-the-miller-effect-in-semiconductor-switches

 

3.Vgs 對 Cgd 充電

1. Rds下降到 Rds(on)(理想值趨近於0)
2. Vds下降到 Vds(on)(理想值趨近於0)
3. Id=Idss
4. 因理想為Vd=Vs 故Vgs不變且對 Cgd充電到Vcgd=Vcgs

圖片出自https://www.wpgdadatong.com/cn/blog/detail/42072

圖片出自https://www.qorvo.com/design-hub/blog/using-cascode-topologies-to-beat-the-miller-effect-in-semiconductor-switches

5.Vgs 提升到訊號準位

1. Rds下降到 Rds(on)(理想值趨近於0)
2. Vds下降到 Vds(on)(理想值趨近於0)
3. Id=Idss
4. Vgs 對 Cgd & Cgs充電到Vgs=信號準位
5. MOSFET 完整打開

圖片出自https://www.wpgdadatong.com/cn/blog/detail/42072

圖片出自https://www.qorvo.com/design-hub/blog/using-cascode-topologies-to-beat-the-miller-effect-in-semiconductor-switches

Cgd Cgs Cds

1. Cgd Cgs Cds 上升，交換時間上升
2. Cgd and Cgs 對於開啟時間影響更大
3. Cgd 小，對於MOSFET 比較安全(Glitch)

Ciss Coss Crss

1. Ciss=Cgs+Cgd
2. Coss=Cds+Cgd
3. Crss=Cgd

由上述的公式可以得知各寄生電容對於MOSFET動作上的影響

1. Ciss影響開關的速度
2. Crss影響Miller Plateau的持續時間(3區間)

接下來就是大家期待已久的重頭戲 SOA 了

何謂SOA：

接下來就是大家期待已久的重頭戲 SOA 了，SOA為Safe operating area，中文為安全工作區域，在MOSFET 裡面佔據很重要的角色，若超出SOA所標記的區域，那就會有燒毀MOSFET的風險，AOS常用的Hot Swap MOSFET：AONS30300 其SOA圖形如下

圖片出自https://aosmd.com/products/mosfets/hot-swap-mosfets-25v-150v/aons30300

 

SOA測試波形：

單顆的SOA波型

兩顆Gate並聯的SOA波形

其SOA的標記如下：

因為兩個Gate並聯，其寄生電容會變為兩倍，故關閉時間會大幅延長，Vg下降的時間也變為接近兩倍，但在如此嚴苛的條件下，AONS30300在SOA測試中，以12V 且Peak 57A的條件下，AONS30300是可以承受得住超過5ms以上的時間，由此可知AONS30300是一顆非常強壯的Hot Swap MOSFET。

 

Q&A時間:

Q1.兩顆MOSFET並聯，是否開關時間都會變為兩倍?

A1.在Gate Driver 能力足夠下，因為寄生電容會變成兩倍。

Q2.兩顆MOSFET並聯，是否會有風險?

A2：因為Rds(on)的不同，會有分流的問題，這些需要去確認，且在並聯的時候寄生電容會相加，此時要特別注意Driver 的能力是否可以正常推動，但如果上述的情況皆有注意，那就不會有風險了。

Q3.是不是寄生電容越小越好?

A3.因為寄生電容會和開關的時間和損耗有直接關係，但如果開關速度過快，會造成巨大的inrush current，但如果太大，則會造成米勒效應，就會出現很大的Switching Loss，以至於MOSFET 發熱。

Q4.要如何讓Miller Plateau消除?

Q4.因為寄生電容是MOSFET製作的物理特性，所以無法消除，只能利用製程能力演進及改善將其縮小，這也是現在努力的方向

Q5.為什麼SOA的圖片中，有Rds(on) Limit的區域：

A5.是指即使外加的VDS小於絕對最大額定值，ID也會受到RDS(ON)限制的區域。根據歐姆定律I=V/R，ID會被限制，不會跑進Rds(on) Limit的區域。