Capacitancia de puerta y capacitancia de Miller en el MOSFET

¿Cómo se modela la capacitancia Gate y la capacitancia Miller para un MOSFET? ¿Cuál es el comportamiento de ambos cuando se aplica un voltaje de puerta?

Siempre hay capacitancia entre el drenaje y la compuerta, lo que puede ser un problema real. Un MOSFET común es el FQP30N06L (MOSFET N-Channel LOGIC 60V). tiene las siguientes cifras de capacitancia:

• Capacitancia de entrada 1040 pF (puerta a fuente)
• Capacitancia de salida 350 pF (drenaje a fuente)
• Capacidad de transferencia inversa 65 pF (drenaje a puerta)

La capacitancia de Miller es la capacitancia de transferencia inversa mencionada anteriormente y la capacitancia de entrada es la capacitancia de la fuente de puerta. La capacitancia de salida es desde el drenaje hasta la fuente.

Para un MOSFET, la capacitancia de entrada suele ser la mayor de las tres porque para obtener un rendimiento decente (cambio en la corriente de drenaje por un cambio en el voltaje de la fuente de la compuerta), el aislamiento de la compuerta debe ser muy delgado y esto aumenta la capacitancia de la fuente de la compuerta.

La capacitancia de Miller (capacitancia de transferencia inversa) suele ser la más pequeña, pero puede tener un efecto grave en el rendimiento.

Considere el MOSFET anterior para cambiar una carga de 10 A desde una tensión de alimentación de 50 V. Si conduce la puerta para encender el dispositivo en el drenaje, se podría esperar que caiga de 50V a 0V en unos pocos cientos de nano segundos. Desafortunadamente, el voltaje de drenaje que cae rápidamente (cuando el dispositivo se enciende) elimina la carga de la compuerta a través de la capacitancia del molinero y esto puede comenzar a apagar el dispositivo; se llama retroalimentación negativa y puede dar como resultado tiempos de conmutación menos que ideales (encendido y apagado).

El truco es asegurarse de que la puerta se sobrepasa ligeramente para acomodar esto. Mire la siguiente imagen tomada de la hoja de datos FQP30N06L: -

Muestra lo que puede esperar cuando el voltaje de la puerta es de 5 V y la corriente de drenaje es de 10 A: obtendrá una caída de voltaje en el dispositivo de aproximadamente 0.35 V (disipación de potencia de 3.5 W). Sin embargo, con el voltaje de drenaje cayendo rápidamente de 50V, la eliminación de carga de la puerta puede ser tal que un tercio del voltaje de la puerta se "pierde" temporalmente en el proceso de conmutación. Esto se mitiga asegurándose de que el voltaje de accionamiento de la compuerta provenga de una baja impedancia de la fuente pero, si se pierde un tercio, durante un corto período de tiempo es como tener el voltaje de la compuerta a 3.5V y esto disipa más potencia en el proceso de conmutación.

Lo mismo es cierto al apagar el MOSFET; el aumento repentino en el voltaje de drenaje inyecta carga en la puerta y esto tiene el efecto de encender ligeramente el MOSFET.

Si desea una mejor conmutación, mire la hoja de datos y sobrecargue el voltaje de la puerta para encenderlo y, si es posible, aplique un voltaje de accionamiento negativo para apagarlo. En todos los casos, utilice controladores de baja impedancia. La hoja de datos para el FQP30N06L indica que las especificaciones de tiempo de subida y bajada usan una impedancia de accionamiento de 25 ohmios.

También vale la pena mencionar cómo las diversas capacidades se ven afectadas por el voltaje. Mira este diagrama: -

Para voltajes de drenaje muy pequeños, la capacitancia miller (Crss) es casi 1 nF (compárelo cuando el dispositivo está apagado (por ejemplo, 50 V en el drenaje)), la capacitancia se ha reducido probablemente a menos de 50 pF. Vea también cómo el voltaje afecta las otras dos capacitancias.

Me temo que el término capacitancia "Miller" aún no se ha explicado correctamente. Se dijo que la capacitancia de Miller sería idéntica a la capacitancia de drenaje a puerta. Creo que esto necesita una aclaración.

El problema es que el efecto Miller (causado por la retroalimentación negativa) aumenta la conductancia de entrada en la puerta (en el caso de configuraciones de fuente comunes). Esto se aplica a cualquier elemento conductor entre el drenaje y la compuerta (dentro y / o fuera del dispositivo).

Aproximadamente podemos decir que el efecto Miller aparentemente aumenta la capacitancia de entrada en la puerta en un factor igual a la ganancia A de la etapa, por lo tanto: Cin ~ A * Cdg.

Eso significa, en lo que respecta al modelado: el efecto Miller no se modela en absoluto y Cdg se modela como está (entre D y G). Un posible aumento debido al efecto Miller depende de la aplicación particular.