MOS管相比于三極管，開關(guān)速度快，導(dǎo)通電壓低，電壓驅(qū)動(dòng)簡單，所以越來越受工程師的喜歡，然而，若不當(dāng)設(shè)計(jì)，哪怕是小功率MOS管，也會(huì)導(dǎo)致芯片燒壞，原本想著更簡單的，最后變得更加復(fù)雜。這幾年來一直做高頻電源設(shè)計(jì)，也涉及嵌入式開發(fā)，對大小功率MOS管，都有一定的理解，所以把心中理解的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)一番，形成理論模型。

(一)：等效模型

MOS管等效電路及應(yīng)用電路如下圖所示：

 

把MOS管的微觀模型疊加起來，就如下圖所示：

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(yùn)放，如下圖：

有了以上模型，就好辦了，尤其從運(yùn)放這張圖中，可以一眼看出，這就是一個(gè)反相積分電路，當(dāng)輸入電阻較大時(shí)，開關(guān)速度比較緩慢，Cgd這顆積分電容影響不明顯，但是當(dāng)開關(guān)速度比較高，而且VDD供電電壓較高，比如310V下，通過Cgd的電流比較大，強(qiáng)的積分很容易引起振蕩，這個(gè)振蕩叫米勒振蕩。所以Cgd也叫米勒電容，而在MOS管開關(guān)導(dǎo)通或者關(guān)斷的那段時(shí)間，也就是積分那段時(shí)間，叫米勒平臺(tái)，如下圖圓圈中的那部分為米勒平臺(tái)，右邊的是振蕩嚴(yán)重的米勒振蕩：

因?yàn)镸OS管的反饋引入了電容，當(dāng)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(jié)合起來，就會(huì)引起積分過充振蕩，這個(gè)等價(jià)于溫控的PID中的I模型，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(qū)動(dòng)電阻，減緩開關(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(nèi)阻抗沖擊的小電容，或者用RC電路來做吸收電路。

下圖給出雨滴科技常用的三顆大功率MOS管的電容值：LCR電橋直接測量，具體型號就不提了。

從圖上可以看出，Inifineon6代MOS管和APT7代MOS管性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如碳化硅性能，它的各個(gè)指標(biāo)都很小，當(dāng)米勒振蕩通過其他手段無法降低時(shí)，可以考慮更換更小的米勒電容MOS管，尤其需要重視Cgd要盡可能的小于Cgs。

(二)：米勒振蕩

可以這么講，在電源設(shè)計(jì)中，米勒振蕩是一個(gè)很核心的一環(huán)，尤其是超過100KHz以上的頻率，而作者是做超高頻感應(yīng)加熱電源的，工作頻率在500K~1MHz范圍，功率大于5KW，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是LLC電路，H橋輸出，此外為了實(shí)現(xiàn)功率線性可調(diào)節(jié)，采用40Hz PWM調(diào)制，可以理解為H橋以25mS為周期，不停的開始，關(guān)閉，而因?yàn)楦袘?yīng)加熱設(shè)備的負(fù)載是并聯(lián)LC諧振環(huán)，這樣每一次的開始等價(jià)于輸出短路，所以開始的10來個(gè)周期的高頻脈沖波形特別難看，米勒振蕩很嚴(yán)重，如下圖（Infineon C6 MOS管波形）：

大家知道Si MOS的Vgs電壓工作范圍為正負(fù)20V，超過這個(gè)電壓，柵極容易被擊穿，所以在米勒振蕩嚴(yán)重的場合，需要加限壓的穩(wěn)壓二極管，一般采用15V穩(wěn)壓二極管，有些采用15V的TVS管，響應(yīng)速度快，但是TVS管相比穩(wěn)壓二極管來說，精度比較差，一致性不是很強(qiáng)，一般情況下還是推薦用穩(wěn)壓二極管。

上圖為MOS管GS之間并聯(lián)了穩(wěn)壓二極管，實(shí)現(xiàn)15V驅(qū)動(dòng)電壓鉗制。穩(wěn)壓二極管一般用于米勒振蕩嚴(yán)重的場合，尤其是頻率特別高的，對于波形良好的軟開關(guān)，或者振蕩不明顯的硬開關(guān)，不需要穩(wěn)壓二極管鉗制。

米勒振蕩若只是引起GS絕緣層擊穿，那么加穩(wěn)壓二極管很容易解決，問題的關(guān)鍵在于，米勒振蕩往往引起二次開關(guān)，也就是說，導(dǎo)通了又關(guān)閉又導(dǎo)通，多次開關(guān)，多次開關(guān)帶來的直接效應(yīng)，就是開關(guān)損耗急劇提升。在高頻開關(guān)中，MOS管的損耗分為導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗兩種，導(dǎo)通損耗也就是通常所說的DS兩極導(dǎo)通后的歐姆熱損耗，然而在特別高的高頻下，導(dǎo)通損耗是次要的，開關(guān)損耗上升為主要矛盾，所謂開關(guān)損耗就是從關(guān)閉到導(dǎo)通，或者從導(dǎo)通到關(guān)閉，因?yàn)檫@個(gè)0->1, 1->0的過程中，有高壓，又有電流，所以這個(gè)損耗很大，最早開關(guān)電源都是采用硬開關(guān)的，而開關(guān)損耗在硬開關(guān)中表現(xiàn)突出，此外開關(guān)損耗因?yàn)橛懈叩碾妷汉蛷?qiáng)的電流，瞬間功率很高，比如電壓310V，開關(guān)時(shí)中間電流假設(shè)為10A，則瞬間功率就有3100W，沖擊性很強(qiáng)，容易導(dǎo)致MOS管局部損傷，所以為了解決硬開關(guān)，引入了零電壓(ZVS)、零電流(ZCS)的軟開關(guān)技術(shù)，然而雖然軟開關(guān)技術(shù)很好的解決了開關(guān)損耗問題，但是開關(guān)損耗還是存在，只是大大降低了，但是米勒振蕩的多次開關(guān)，又提升了開關(guān)損耗。

米勒振蕩若只是以上兩點(diǎn)問題，那還不是問題的根本，最最讓設(shè)計(jì)者頭疼的是，在大功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中廣泛使用的H橋，米勒振蕩會(huì)存在一種可能，那就是上下管子恰好在某同一時(shí)刻導(dǎo)通，若導(dǎo)通的時(shí)間略長一些，則引起上下管子通過的瞬間電流巨大，因?yàn)镸OS管的內(nèi)阻都很小，只有百毫歐級別，當(dāng)310V除以百毫歐姆電阻，產(chǎn)生的瞬間電流都在上百A，哪怕因?yàn)椴季€存在電感，實(shí)際這個(gè)電流小一些，但這個(gè)瞬間產(chǎn)生的功率還是巨大的，假設(shè)瞬間100A，則瞬間功率31000W，這么強(qiáng)的瞬間沖擊，很容易讓功率管損傷甚至燒壞而炸機(jī)。很多時(shí)候，短時(shí)間在公司測試OK，甚至十來天都OK，功率管溫度也不高，但是一到客戶哪兒就出問題，往往跟這個(gè)有關(guān)。

總結(jié)以上，米勒振蕩引起三個(gè)問題：
1、擊穿GS電壓，引入穩(wěn)壓二極管鉗制。
2、二次開關(guān)，引入軟開關(guān)。
3、上下管子導(dǎo)通，頭大，斗爭的重點(diǎn)，下一節(jié)講。

下圖為仿真的MOS管驅(qū)動(dòng)波形，大家可以看到里面有一個(gè)米勒振蕩，信號源為10V，100KHz

米勒振蕩的本質(zhì)是因?yàn)樵诟邏汉透咚匍_關(guān)下，注意是高壓和高速開關(guān)下，MOS管在高壓高速開關(guān)下，就是一個(gè)典型的高增益負(fù)反饋系統(tǒng)，負(fù)反饋特別嚴(yán)重(上一節(jié)講到MOS管就是反相器)，高增益負(fù)反饋很容易引起振蕩，尤其是反饋還是電容，又引入了相位移動(dòng)，反饋相位接近270度。負(fù)反饋180度是穩(wěn)定點(diǎn)，360度是振蕩點(diǎn)，270度處于穩(wěn)定與振蕩點(diǎn)之間，所以強(qiáng)的負(fù)反饋會(huì)表現(xiàn)為衰減式振蕩。（通俗的理解：輸入因?yàn)橛须姼泻碗娮璧南蘖?，高壓下反饋突變信號通過電容，因?yàn)椴黄胶庖鹫袷?，這個(gè)類似熱水器的溫控PID。）

相同條件下，低壓下因?yàn)樨?fù)反饋沒有這么劇烈，所以米勒振蕩會(huì)很小，一般高頻電源先用低壓100V測試，波形很好，看不到米勒振蕩，但是到了300V，波形就變差了。

(三)：米勒振蕩的應(yīng)對

米勒振蕩是因?yàn)閺?qiáng)的負(fù)反饋引起的開關(guān)振蕩，導(dǎo)致二次導(dǎo)通，對于后級大功率半橋、全橋等H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)用中，容易導(dǎo)致上下管子瞬間導(dǎo)通從而炸毀管子，這個(gè)是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中最核心的一環(huán)，所以如何避免米勒振蕩可以認(rèn)為是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵。

A、減緩驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度

1、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，開關(guān)速度越緩。
2、在MOS管GS之間并聯(lián)瓷片電容，一般容量在1nF~10nF附近?？磳?shí)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(shí)間，減緩開關(guān)的邊沿速度，這個(gè)方式特別適合于硬開關(guān)電路，消除硬開關(guān)引起的振蕩。

B、加強(qiáng)關(guān)閉能力
1、差異化充放電速度，采用二極管加速放電速度

2、當(dāng)?shù)谝环N方案不足時(shí)，關(guān)閉時(shí)直接把GS短路

3、當(dāng)?shù)诙N方案不足時(shí)，引入負(fù)壓確保關(guān)斷。

C、增加DS電容
在ZVS軟開關(guān)電路中，比如UC3875移相電路中，MOS管DS之間，往往并聯(lián)無感CBB小電容，一般容量在10nF以內(nèi)，不能太大，有利于米勒振蕩，注意該電容的發(fā)熱量，頻率更高的時(shí)候，需要用云母電容

D、提高漏極電感方式
相對應(yīng)方案C的提高DS電容方式，該方案則采用提高漏極的電感方式
1、在漏極串聯(lián)鎳鋅磁珠，提高漏極電感，減緩漏極的電流變化，降低米勒振蕩，這個(gè)方案也是改善EMC的方法之一，效果比較明顯，但該方案不適合高頻率強(qiáng)電流的場合，否則該磁珠就發(fā)熱太高而失效。
2、PCB布線時(shí)，人為的引入布線電感，增長MOS管漏極、源極的PCB布線長度，比如方案C的圖中，適當(dāng)提高半橋上下MOS管之間的引線，對改善米勒振蕩有很大的影響，但這個(gè)需要自身的技術(shù)水平較高，否則容易失敗，此外布線長度提高，需要相應(yīng)的考慮MOS管的耐壓，嚴(yán)重的，需要加MOS管吸收電路。

E、常用的MOS管吸收電路，利于保護(hù)MOS管因關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生過高的電壓導(dǎo)致DS擊穿，對米勒振蕩也有幫助，電路形式多樣，以下列舉四種，應(yīng)用場合不同，采用不同的方式。

(四)：基本參數(shù)

mos管的基本參數(shù)，大家熟悉的必然是Ids電流，Ron導(dǎo)通電阻，Vgs的閾值電壓，Cgs、Cgd、Cds這幾項(xiàng)，然而在高速應(yīng)用中，開關(guān)速度這個(gè)指標(biāo)比較重要。

上圖四項(xiàng)指標(biāo)，第一項(xiàng)是導(dǎo)通延時(shí)時(shí)間，第二項(xiàng)是上升時(shí)間，第三項(xiàng)是關(guān)閉延時(shí)時(shí)間，第四項(xiàng)是下降時(shí)間。定義如下圖：

在高速H橋應(yīng)用中，MOS管內(nèi)部的反向并聯(lián)寄生二極管的響應(yīng)速度指標(biāo)Trr，也就是二極管的反向恢復(fù)時(shí)間這個(gè)指標(biāo)很重要，否則容易炸機(jī)，下圖為高速二極管。

高速下，二極管也不是理想的，二極管導(dǎo)通后，PN節(jié)中充滿了電子和空穴，當(dāng)瞬間反向加電的時(shí)候，需要時(shí)間恢復(fù)截止，這個(gè)類似一扇門打開了，需要時(shí)間關(guān)上，但在高速下，這個(gè)關(guān)上的時(shí)間太長，就會(huì)導(dǎo)致H橋上下管子導(dǎo)通而燒壞。所以在高速應(yīng)用中，直接因?yàn)镸OS管工藝寄生的二極管的反向恢復(fù)時(shí)間太長，所以需要用特殊的工藝制作實(shí)現(xiàn)高速的內(nèi)置二極管，但哪怕特殊工藝制作的，其性能也達(dá)不到獨(dú)立的高速二極管性能，只是比原MOS管寄生的指標(biāo)強(qiáng)一些而已，但已經(jīng)滿足大部分軟開關(guān)的需求了，500KHz下沒問題。比如Infineon的C6系列，后綴帶CFD的管子，內(nèi)部的二極管就是高速的。

若有些場合需要更高速的二極管，而內(nèi)置的二極管性能達(dá)不到，則需要特殊的處理方式，MOS管先串聯(lián)二極管，再外部并二極管，這樣子實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用于頻率超過500KHz的場合。

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