MOS管開(kāi)通過(guò)程的米勒效應及應對措施

在現在使用的MOS和IGBT等開(kāi)關(guān)電源應用中，所需要面對一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題 — 米勒效應，本文將主要介紹MOS管在開(kāi)通過(guò)程中米勒效應的成因、表現、危害及應對方法。

在現在使用的MOS和IGBT等開(kāi)關(guān)電源應用中，所需要面對一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題 — 米勒效應，本文將主要介紹MOS管在開(kāi)通過(guò)程中米勒效應的成因、表現、危害及應對方法。

1. 米勒效應的成因

2. 
   

在講這個(gè)之前需要先回顧下MOS的開(kāi)通過(guò)程。

圖一

從t1開(kāi)始時(shí)刻，Vgs開(kāi)始上升的時(shí)候，Vds和Id保持不變，這個(gè)過(guò)程中驅動(dòng)電流ig為Cgs充電，Vgs上升。一直到t1結束，Vgs上升到Vg(th)，也就是門(mén)極開(kāi)啟電壓時(shí)候。在整個(gè)t1時(shí)間，MOS處于截止區。

從t2時(shí)刻開(kāi)始，MOS就開(kāi)始導通了，標志就是Id開(kāi)始上升。電流從原來(lái)的電感出來(lái)流經(jīng)二極管，現在開(kāi)始要慢慢的向MOS換流。所以MOS的漏極電流Id在逐漸上升，二極管的電流在逐漸減小，但是電流之和始終等于電感電流，在開(kāi)關(guān)開(kāi)通的這個(gè)過(guò)程中可以認為電感電流是沒(méi)有變化的。這個(gè)時(shí)間段內驅動(dòng)電流仍然是為Cgs充電。在t2這段時(shí)間里，Id只是在線(xiàn)性上升，到t2結束時(shí)刻，Id上升到電感電流，換流結束。在電感電流上升的這個(gè)過(guò)程中Vds會(huì )稍微有一些下降，這是因為下降的di/dt在雜散電感上面形成一些壓降，所以側到的Vds會(huì )有一些下降。從t2開(kāi)始時(shí)刻，MOS進(jìn)入了飽和區。

在Id上升至最大（t2結束），即刻就進(jìn)入了米勒平臺時(shí)期。米勒平臺就是Vgs在一段時(shí)間幾乎維持不動(dòng)的一個(gè)平臺。前面說(shuō)了，從t2開(kāi)始時(shí)刻，MOS進(jìn)入了飽和區，在飽和有轉移特性：Id=Vgs*Gm。其中Gm是跨導。那么可以看出，只要Id不變Vgs就不變。Id在上升到最大值以后，也就是MOS和二極管換流結束后，Id就等于電感電流了，而此時(shí)又處于飽和區，所以Vgs就會(huì )維持不變，也就是維持米勒平臺的電壓。

從t2結束驅動(dòng)的電流ig為Cgd充電（從另一個(gè)方向來(lái)說(shuō)，可以叫放電），然后Vds就開(kāi)始下降了。由于超級結在開(kāi)通伊始的縱向擴散，比較小的GD電容，所以Vds一開(kāi)始下降的比較快，縱向擴散完成后，變成橫向擴散，GD電容變大，所以Vds下降的斜率變緩。那么米勒平臺什么時(shí)候結束呢？米勒平臺要想結束，必須進(jìn)入線(xiàn)性區，不然繼續在飽和區待下去，就會(huì )被和Id“綁”在一起，所以當MOS進(jìn)入線(xiàn)性區之后，米勒平臺結束。根據MOS的特性曲線(xiàn)，在Vds下降到等于此時(shí)的Vgs-Vg(th)這個(gè)值的時(shí)候，MOS進(jìn)入線(xiàn)性區（t4開(kāi)始時(shí)刻）。此時(shí)Vds的大小會(huì )由Rds*Id決定，驅動(dòng)電流開(kāi)始繼續為Cgs和Cgd充電。而Vgs也開(kāi)始恢復繼續上升，MOS基本導通。

下面來(lái)詳細說(shuō)明下米勒平臺形成的過(guò)程。

圖二

在t2開(kāi)始的時(shí)刻，處在飽和區的MOS轉移特性公式，真實(shí)為Ich=Vgs*Gm，Ich為溝道電流，即上圖中DS之間的電流。于是當驅動(dòng)電流為Cgs充一點(diǎn)電，Vgs增加Δvgs，那么Ich增加Δich，而Ich增加的部分只能由Cds放電提供，（因為從電路中的來(lái)的那部分電流已經(jīng)固定），于是Cds放電為Ich提供增加的電流。于是Vds就下降，也就是Vgd會(huì )下降，那么Δigd=Cgd*ΔVgd/Δt，igd就會(huì )增加，然后igs就會(huì )下降，所以Vgs就不能增加，只能這樣動(dòng)態(tài)的維持在米勒平臺附近?？梢钥闯鲞@是一個(gè)負反饋的過(guò)程。所以Cgd也叫反饋電容。

2. 米勒電容在MOS開(kāi)通過(guò)程中帶來(lái)的問(wèn)題

1. dv/dt 限制

當MOS管 DS兩端電壓迅速上升的時(shí)，通過(guò)Cgd所產(chǎn)生電流在MOS管GS兩端寄生電阻上產(chǎn)生的壓降大于開(kāi)啟電壓時(shí)，會(huì )使MOS打開(kāi)。所以在使用前需要根據實(shí)際情況計算相關(guān)參數，以保證在各類(lèi)工況下都不出來(lái)MOS誤打開(kāi)的情況。這里面又分三種情況：

（1）可以看到通過(guò)Cgs和Cgd兩個(gè)電容分壓可得到GS兩端電壓

圖三

在低壓應用中一般由這個(gè)等式即可判定MOS是否會(huì )存在誤打開(kāi)的動(dòng)作

（2）高壓應用中還需要確定MOS的本身dv/dt 極限。這一特性對應于在外部驅動(dòng)阻抗為零的理想情況下，設備在不開(kāi)機的情況下所能承受的最大dv/dt。

這個(gè)公式所計算得到的結果在評估MOS在特定應用中的適應性很重要。

（3）實(shí)際應用中，還需要考慮驅動(dòng)的寄生電阻及所外加的驅動(dòng)電阻。

需要注意的是MOS管的開(kāi)啟電壓是一個(gè)與溫度正相關(guān)的參數，在計算上述公式時(shí)要考慮到開(kāi)啟電壓隨溫度的偏移量。

2. 米勒振蕩

我們知道，MOS管的輸入與輸出是相位相反，恰好180度，也就是等效于一個(gè)反相器，也可以理解為一個(gè)反相工作的運放，所以當輸入電阻較大時(shí)，開(kāi)關(guān)速度比較緩慢，圖二中Cgd這顆積分電容影響不明顯，但是當開(kāi)關(guān)速度比較高，而且VDD供電電壓比較高，比如310V下，通過(guò)Cgd的電流比較大，強的積分很容易引起振蕩，這個(gè)振蕩叫米勒振蕩。

如下圖中藍色線(xiàn)

圖六

因為MOS管的反饋引入了電容，當這個(gè)電容足夠大，并且前段信號變化快，后端供電電壓高，三者結合起來(lái)，就會(huì )引起積分過(guò)充振蕩，要想解決解決這個(gè)米勒振蕩，在頻率和電壓不變的情況下，一般可以提高M(jìn)OS管的驅動(dòng)電阻，減緩開(kāi)關(guān)的邊沿速度，其次比較有效的方式是增加Cgs電容。在條件允許的情況下，可以在Cds之間并上低內阻抗沖擊的小電容，或者用RC電路來(lái)做吸收電路。

一般Si MOS的Vgs電壓工作范圍為正負20V，超過(guò)這個(gè)電壓，柵極容易被擊穿，所以在米勒振蕩嚴重的場(chǎng)合，需要加限壓的穩壓二極管。但更嚴重的問(wèn)題來(lái)自米勒振蕩容易引起MOS管的二次開(kāi)關(guān)或多次開(kāi)關(guān)引起的MOS損耗加劇，最終可能燒毀。

3. 米勒振蕩的應對

1. 減緩驅動(dòng)強度
   

   
   

a. 提高M(jìn)OS管G極的輸入串聯(lián)電阻，一般該電阻阻值在1~100歐姆之間，具體值看MOS管的特性和工作頻率，阻值越大，開(kāi)關(guān)速度越緩。

b. 在MOS管GS之間并聯(lián)瓷片電容，一般容量在1nF~10nF附近，看實(shí)際需求。調節電阻電容值，提高電阻和電容，降低充放電時(shí)間，減緩開(kāi)關(guān)的邊沿速度，這個(gè)方式特別適合于硬開(kāi)關(guān)電路，消除硬開(kāi)關(guān)引起的振蕩，但是這兩種措施都會(huì )引起MOS損耗的上升，取值需要結合實(shí)際電路應用。

2. 加強關(guān)閉能力

a. 差異化充放電速度，采用二極管加速放電速度

b. 當第一種方案不足時(shí)，關(guān)閉時(shí)直接把GS短路

米勒振蕩還有可能是MOS源極對地寄生電感偏大，在MOS進(jìn)入開(kāi)啟狀態(tài)從二極管換流至MOS的瞬態(tài)電流在MOS源極對地的寄生電感上產(chǎn)生一個(gè)壓降，所以在PCB布板的要遵守開(kāi)關(guān)電源布板的基本要求。

（來(lái)源：Arrow Solution）