MOS管開通過程的米勒效應及應對措施

在現(xiàn)在使用的MOS和IGBT等開關電源應用中，所需要面對一個常見的問題 — 米勒效應，本文將主要介紹MOS管在開通過程中米勒效應的成因、表現(xiàn)、危害及應對方法。

1. 米勒效應的成因

在講這個之前需要先回顧下MOS的開通過程。

圖一

從t1開始時刻，Vgs開始上升的時候，Vds和Id保持不變，這個過程中驅動電流ig為Cgs充電，Vgs上升。一直到t1結束，Vgs上升到Vg(th)，也就是門極開啟電壓時候。在整個t1時間，MOS處于截止區(qū)。

從t2時刻開始，MOS就開始導通了，標志就是Id開始上升。電流從原來的電感出來流經(jīng)二極管，現(xiàn)在開始要慢慢的向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，在開關開通的這個過程中可以認為電感電流是沒有變化的。這個時間段內(nèi)驅動電流仍然是為Cgs充電。在t2這段時間里，Id只是在線性上升，到t2結束時刻，Id上升到電感電流，換流結束。在電感電流上升的這個過程中Vds會稍微有一些下降，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會有一些下降。從t2開始時刻，MOS進入了飽和區(qū)。

在Id上升至最大（t2結束），即刻就進入了米勒平臺時期。米勒平臺就是Vgs在一段時間幾乎維持不動的一個平臺。前面說了，從t2開始時刻，MOS進入了飽和區(qū)，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，而此時又處于飽和區(qū)，所以Vgs就會維持不變，也就是維持米勒平臺的電壓。

從t2結束驅動的電流ig為Cgd充電（從另一個方向來說，可以叫放電），然后Vds就開始下降了。由于超級結在開通伊始的縱向擴散，比較小的GD電容，所以Vds一開始下降的比較快，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候結束呢？米勒平臺要想結束，必須進入線性區(qū)，不然繼續(xù)在飽和區(qū)待下去，就會被和Id“綁”在一起，所以當MOS進入線性區(qū)之后，米勒平臺結束。根據(jù)MOS的特性曲線，在Vds下降到等于此時的Vgs-Vg(th)這個值的時候，MOS進入線性區(qū)（t4開始時刻）。此時Vds的大小會由Rds*Id決定，驅動電流開始繼續(xù)為Cgs和Cgd充電。而Vgs也開始恢復繼續(xù)上升，MOS基本導通。

下面來詳細說明下米勒平臺形成的過程。

圖二

在t2開始的時刻，處在飽和區(qū)的MOS轉移特性公式，真實為Ich=Vgs*Gm，Ich為溝道電流，即上圖中DS之間的電流。于是當驅動電流為Cgs充一點電，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會下降，那么Δigd=Cgd*ΔVgd/Δt，igd就會增加，然后igs就會下降，所以Vgs就不能增加，只能這樣動態(tài)的維持在米勒平臺附近。可以看出這是一個負反饋的過程。所以Cgd也叫反饋電容。

2. 米勒電容在MOS開通過程中帶來的問題

1. dv/dt 限制

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

（1）可以看到通過Cgs和Cgd兩個電容分壓可得到GS兩端電壓

圖三

在低壓應用中一般由這個等式即可判定MOS是否會存在誤打開的動作

（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阻抗為零的理想情況下，設備在不開機的情況下所能承受的最大dv/dt。

這個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）實際應用中，還需要考慮驅動的寄生電阻及所外加的驅動電阻。

需要注意的是MOS管的開啟電壓是一個與溫度正相關的參數(shù)，在計算上述公式時要考慮到開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，也就是等效于一個反相器，也可以理解為一個反相工作的運放，所以當輸入電阻較大時，開關速度比較緩慢，圖二中Cgd這顆積分電容影響不明顯，但是當開關速度比較高，而且VDD供電電壓比較高，比如310V下，通過Cgd的電流比較大，強的積分很容易引起振蕩，這個振蕩叫米勒振蕩。

如下圖中藍色線

圖六

因為MOS管的反饋引入了電容，當這個電容足夠大，并且前段信號變化快，后端供電電壓高，三者結合起來，就會引起積分過充振蕩，要想解決解決這個米勒振蕩，在頻率和電壓不變的情況下，一般可以提高MOS管的驅動電阻，減緩開關的邊沿速度，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(nèi)阻抗沖擊的小電容，或者用RC電路來做吸收電路。

一般Si MOS的Vgs電壓工作范圍為正負20V，超過這個電壓，柵極容易被擊穿，所以在米勒振蕩嚴重的場合，需要加限壓的穩(wěn)壓二極管。但更嚴重的問題來自米勒振蕩容易引起MOS管的二次開關或多次開關引起的MOS損耗加劇，最終可能燒毀。

3. 米勒振蕩的應對

1. 減緩驅動強度

a. 提高MOS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，開關速度越緩。

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

2. 加強關閉能力

a. 差異化充放電速度，采用二極管加速放電速度

b. 當?shù)谝环N方案不足時，關閉時直接把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進入開啟狀態(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)生一個壓降，所以在PCB布板的要遵守開關電源布板的基本要求。

文章來源：Arrow Solution

審核編輯 黃宇