MOS管开通过程的米勒效应及应对措施

在现在使用的MOS和IGBT等开关电源应用中，所需要面对一个常见的问题 — 米勒效应，本文将主要介绍MOS管在开通过程中米勒效应的成因、表现、危害及应对方法。

1. 米勒效应的成因

在讲这个之前需要先回顾下MOS的开通过程。

图一

从t1开始时刻，Vgs开始上升的时候，Vds和Id保持不变，这个过程中驱动电流ig为Cgs充电，Vgs上升。一直到t1结束，Vgs上升到Vg(th)，也就是门极开启电压时候。在整个t1时间，MOS处于截止区。

从t2时刻开始，MOS就开始导通了，标志就是Id开始上升。电流从原来的电感出来流经二极管，现在开始要慢慢的向MOS换流。所以MOS的漏极电流Id在逐渐上升，二极管的电流在逐渐减小，但是电流之和始终等于电感电流，在开关开通的这个过程中可以认为电感电流是没有变化的。这个时间段内驱动电流仍然是为Cgs充电。在t2这段时间里，Id只是在线性上升，到t2结束时刻，Id上升到电感电流，换流结束。在电感电流上升的这个过程中Vds会稍微有一些下降，这是因为下降的di/dt在杂散电感上面形成一些压降，所以侧到的Vds会有一些下降。从t2开始时刻，MOS进入了饱和区。

在Id上升至最大（t2结束），即刻就进入了米勒平台时期。米勒平台就是Vgs在一段时间几乎维持不动的一个平台。前面说了，从t2开始时刻，MOS进入了饱和区，在饱和有转移特性：Id=Vgs*Gm。其中Gm是跨导。那么可以看出，只要Id不变Vgs就不变。Id在上升到最大值以后，也就是MOS和二极管换流结束后，Id就等于电感电流了，而此时又处于饱和区，所以Vgs就会维持不变，也就是维持米勒平台的电压。

从t2结束驱动的电流ig为Cgd充电（从另一个方向来说，可以叫放电），然后Vds就开始下降了。由于超级结在开通伊始的纵向扩散，比较小的GD电容，所以Vds一开始下降的比较快，纵向扩散完成后，变成横向扩散，GD电容变大，所以Vds下降的斜率变缓。那么米勒平台什么时候结束呢？米勒平台要想结束，必须进入线性区，不然继续在饱和区待下去，就会被和Id“绑”在一起，所以当MOS进入线性区之后，米勒平台结束。根据MOS的特性曲线，在Vds下降到等于此时的Vgs-Vg(th)这个值的时候，MOS进入线性区（t4开始时刻）。此时Vds的大小会由Rds*Id决定，驱动电流开始继续为Cgs和Cgd充电。而Vgs也开始恢复继续上升，MOS基本导通。

下面来详细说明下米勒平台形成的过程。

图二

在t2开始的时刻，处在饱和区的MOS转移特性公式，真实为Ich=Vgs*Gm，Ich为沟道电流，即上图中DS之间的电流。于是当驱动电流为Cgs充一点电，Vgs增加Δvgs，那么Ich增加Δich，而Ich增加的部分只能由Cds放电提供，（因为从电路中的来的那部分电流已经固定），于是Cds放电为Ich提供增加的电流。于是Vds就下降，也就是Vgd会下降，那么Δigd=Cgd*ΔVgd/Δt，igd就会增加，然后igs就会下降，所以Vgs就不能增加，只能这样动态的维持在米勒平台附近。可以看出这是一个负反馈的过程。所以Cgd也叫反馈电容。

2. 米勒电容在MOS开通过程中带来的问题

1. dv/dt 限制

当MOS管 DS两端电压迅速上升的时，通过Cgd所产生电流在MOS管GS两端寄生电阻上产生的压降大于开启电压时，会使MOS打开。所以在使用前需要根据实际情况计算相关参数，以保证在各类工况下都不出来MOS误打开的情况。这里面又分三种情况：

（1）可以看到通过Cgs和Cgd两个电容分压可得到GS两端电压

图三

在低压应用中一般由这个等式即可判定MOS是否会存在误打开的动作

（2）高压应用中还需要确定MOS的本身dv/dt 极限。这一特性对应于在外部驱动阻抗为零的理想情况下，设备在不开机的情况下所能承受的最大dv/dt。

这个公式所计算得到的结果在评估MOS在特定应用中的适应性很重要。

（3）实际应用中，还需要考虑驱动的寄生电阻及所外加的驱动电阻。

需要注意的是MOS管的开启电压是一个与温度正相关的参数，在计算上述公式时要考虑到开启电压随温度的偏移量。

2. 米勒振荡

我们知道，MOS管的输入与输出是相位相反，恰好180度，也就是等效于一个反相器，也可以理解为一个反相工作的运放，所以当输入电阻较大时，开关速度比较缓慢，图二中Cgd这颗积分电容影响不明显，但是当开关速度比较高，而且VDD供电电压比较高，比如310V下，通过Cgd的电流比较大，强的积分很容易引起振荡，这个振荡叫米勒振荡。

如下图中蓝色线

图六

因为MOS管的反馈引入了电容，当这个电容足够大，并且前段信号变化快，后端供电电压高，三者结合起来，就会引起积分过充振荡，要想解决解决这个米勒振荡，在频率和电压不变的情况下，一般可以提高MOS管的驱动电阻，减缓开关的边沿速度，其次比较有效的方式是增加Cgs电容。在条件允许的情况下，可以在Cds之间并上低内阻抗冲击的小电容，或者用RC电路来做吸收电路。

一般Si MOS的Vgs电压工作范围为正负20V，超过这个电压，栅极容易被击穿，所以在米勒振荡严重的场合，需要加限压的稳压二极管。但更严重的问题来自米勒振荡容易引起MOS管的二次开关或多次开关引起的MOS损耗加剧，最终可能烧毁。

3. 米勒振荡的应对

1. 减缓驱动强度

a. 提高MOS管G极的输入串联电阻，一般该电阻阻值在1~100欧姆之间，具体值看MOS管的特性和工作频率，阻值越大，开关速度越缓。

b. 在MOS管GS之间并联瓷片电容，一般容量在1nF~10nF附近，看实际需求。调节电阻电容值，提高电阻和电容，降低充放电时间，减缓开关的边沿速度，这个方式特别适合于硬开关电路，消除硬开关引起的振荡，但是这两种措施都会引起MOS损耗的上升，取值需要结合实际电路应用。

2. 加强关闭能力

a. 差异化充放电速度，采用二极管加速放电速度

b. 当第一种方案不足时，关闭时直接把GS短路

米勒振荡还有可能是MOS源极对地寄生电感偏大，在MOS进入开启状态从二极管换流至MOS的瞬态电流在MOS源极对地的寄生电感上产生一个压降，所以在PCB布板的要遵守开关电源布板的基本要求。