【導(dǎo)讀】在現(xiàn)在使用的MOS和IGBT等開關(guān)電源應(yīng)用中，所需要面對(duì)一個(gè)常見的問題 — 米勒效應(yīng)，本文將主要介紹MOS管在開通過程中米勒效應(yīng)的成因、表現(xiàn)、危害及應(yīng)對(duì)方法。
在現(xiàn)在使用的MOS和IGBT等開關(guān)電源應(yīng)用中，所需要面對(duì)一個(gè)常見的問題 — 米勒效應(yīng)，本文將主要介紹MOS管在開通過程中米勒效應(yīng)的成因、表現(xiàn)、危害及應(yīng)對(duì)方法。
米勒效應(yīng)的成因
在講這個(gè)之前需要先回顧下MOS的開通過程。
圖一
從t1開始時(shí)刻，Vgs開始上升的時(shí)候，Vds和Id保持不變，這個(gè)過程中驅(qū)動(dòng)電流ig為Cgs充電，Vgs上升。一直到t1結(jié)束，Vgs上升到Vg(th)，也就是門極開啟電壓時(shí)候。在整個(gè)t1時(shí)間，MOS處于截止區(qū)。
從t2時(shí)刻開始，MOS就開始導(dǎo)通了，標(biāo)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(guān)開通的這個(gè)過程中可以認(rèn)為電感電流是沒有變化的。這個(gè)時(shí)間段內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流仍然是為Cgs充電。在t2這段時(shí)間里，Id只是在線性上升，到t2結(jié)束時(shí)刻，Id上升到電感電流，換流結(jié)束。在電感電流上升的這個(gè)過程中Vds會(huì)稍微有一些下降，這是因?yàn)橄陆档膁i/dt在雜散電感上面形成一些壓降，所以側(cè)到的Vds會(huì)有一些下降。從t2開始時(shí)刻，MOS進(jìn)入了飽和區(qū)。
在Id上升至最大（t2結(jié)束），即刻就進(jìn)入了米勒平臺(tái)時(shí)期。米勒平臺(tái)就是Vgs在一段時(shí)間幾乎維持不動(dòng)的一個(gè)平臺(tái)。前面說了，從t2開始時(shí)刻，MOS進(jìn)入了飽和區(qū)，在飽和有轉(zhuǎn)移特性：Id=Vgs*Gm。其中Gm是跨導(dǎo)。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(jié)束后，Id就等于電感電流了，而此時(shí)又處于飽和區(qū)，所以Vgs就會(huì)維持不變，也就是維持米勒平臺(tái)的電壓。
從t2結(jié)束驅(qū)動(dòng)的電流ig為Cgd充電（從另一個(gè)方向來說，可以叫放電），然后Vds就開始下降了。由于超級(jí)結(jié)在開通伊始的縱向擴(kuò)散，比較小的GD電容，所以Vds一開始下降的比較快，縱向擴(kuò)散完成后，變成橫向擴(kuò)散，GD電容變大，所以Vds下降的斜率變緩。那么米勒平臺(tái)什么時(shí)候結(jié)束呢？米勒平臺(tái)要想結(jié)束，必須進(jìn)入線性區(qū)，不然繼續(xù)在飽和區(qū)待下去，就會(huì)被和Id“綁”在一起，所以當(dāng)MOS進(jìn)入線性區(qū)之后，米勒平臺(tái)結(jié)束。根據(jù)MOS的特性曲線，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)入線性區(qū)（t4開始時(shí)刻）。此時(shí)Vds的大小會(huì)由Rds*Id決定，驅(qū)動(dòng)電流開始繼續(xù)為Cgs和Cgd充電。而Vgs也開始恢復(fù)繼續(xù)上升，MOS基本導(dǎo)通。
下面來詳細(xì)說明下米勒平臺(tái)形成的過程。
圖二
在t2開始的時(shí)刻，處在飽和區(qū)的MOS轉(zhuǎn)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(dāng)驅(qū)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?yàn)閺碾娐分械膩淼哪遣糠蛛娏饕呀?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(tái)附近。可以看出這是一個(gè)負(fù)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(dāng)MOS管 DS兩端電壓迅速上升的時(shí)，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(shí)，會(huì)使MOS打開。所以在使用前需要根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算相關(guān)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(gè)電容分壓可得到GS兩端電壓
圖三
在低壓應(yīng)用中一般由這個(gè)等式即可判定MOS是否會(huì)存在誤打開的動(dòng)作
（2）高壓應(yīng)用中還需要確定MOS的本身dv/dt 極限。這一特性對(duì)應(yīng)于在外部驅(qū)動(dòng)阻抗為零的理想情況下，設(shè)備在不開機(jī)的情況下所能承受的最大dv/dt。
這個(gè)公式所計(jì)算得到的結(jié)果在評(píng)估MOS在特定應(yīng)用中的適應(yīng)性很重要。
（3）實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮驅(qū)動(dòng)的寄生電阻及所外加的驅(qū)動(dòng)電阻。
需要注意的是MOS管的開啟電壓是一個(gè)與溫度正相關(guān)的參數(shù)，在計(jì)算上述公式時(shí)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(gè)反相器，也可以理解為一個(gè)反相工作的運(yùn)放，所以當(dāng)輸入電阻較大時(shí)，開關(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(dāng)開關(guān)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(qiáng)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(lán)色線
圖六
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(hào)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，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。
一般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。但更嚴(yán)重的問題來自米勒振蕩容易引起MOS管的二次開關(guān)或多次開關(guān)引起的MOS損耗加劇，最終可能燒毀。
3. 米勒振蕩的應(yīng)對(duì)
減緩驅(qū)動(dòng)強(qiáng)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(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，但是這兩種措施都會(huì)引起MOS損耗的上升，取值需要結(jié)合實(shí)際電路應(yīng)用。
2. 加強(qiáng)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(dāng)?shù)谝环N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(duì)地寄生電感偏大，在MOS進(jìn)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(duì)地的寄生電感上產(chǎn)生一個(gè)壓降，所以在PCB布板的要遵守開關(guān)電源布板的基本要求。
（來源：Arrow Solution）
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