開(kāi)關(guān)電源中功率MOS管米勒效應(yīng)介紹

合芯半導(dǎo)體針對(duì)開(kāi)關(guān)電源中MOS管在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的米勒效應(yīng)做給簡(jiǎn)要的介紹給大家，方便大家對(duì)MOS管（MOSFET）在開(kāi)關(guān)電源中的選擇作幫助，同時(shí)能說(shuō)明開(kāi)關(guān)電源使用中功率器件MOS管（MOSFET）燒管的多數(shù)原因，客戶(hù)在使用過(guò)程和電路設(shè)計(jì)過(guò)程把握住MOS管的關(guān)鍵參數(shù)。

MOSFET在開(kāi)關(guān)電源電路中的四個(gè)工作狀態(tài)：開(kāi)通過(guò)程（由截止到導(dǎo)通的過(guò)程）、導(dǎo)通狀態(tài)、關(guān)斷過(guò)程（由導(dǎo)通到截止的過(guò)程）、截止?fàn)顟B(tài)。

MOSFET主要損耗也主要在這幾個(gè)狀態(tài)過(guò)程，開(kāi)關(guān)損耗（開(kāi)通過(guò)程和關(guān)斷過(guò)程），導(dǎo)通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個(gè)可以忽略），還有雪崩能量損耗。一定要把這些損耗控制在mos承受范圍內(nèi)，mos管即就會(huì)正常工作不會(huì)有異常甚至燒管，超出這個(gè)范圍，容易發(fā)生損壞。在這幾個(gè)狀態(tài)中開(kāi)關(guān)損耗往往大于導(dǎo)通狀態(tài)損耗（不同mos管這個(gè)有差異。）

MOS管損壞主要原因：

過(guò)流----------持續(xù)大電流或瞬間超大電流引起的結(jié)溫過(guò)高而燒毀；

過(guò)壓----------源漏過(guò)壓擊穿、源柵極過(guò)壓擊穿；

靜電----------靜電擊穿。CMOS電路都怕靜電；

MOS管簡(jiǎn)要開(kāi)關(guān)原理。MOS管是電壓驅(qū)動(dòng)型器件，只要柵源極間給一個(gè)適當(dāng)電壓（大于Vth），源極和漏極間通路就形成。這個(gè)電流通路的電阻被稱(chēng)為mos導(dǎo)通內(nèi)阻，指我們常說(shuō)的導(dǎo)通電阻Rds(on)。這個(gè)內(nèi)阻大小基本決定了mos芯片能承受的最大導(dǎo)通電流（和其它因素也有關(guān)，最重要的是熱阻）。內(nèi)阻越小MOS管承受電流越大，發(fā)熱小。

MOS使用問(wèn)題遠(yuǎn)沒(méi)這么簡(jiǎn)單，麻煩在它的柵源極間，源漏極間，柵漏極間內(nèi)部均有等效電容，這就要我們要關(guān)心MOS管Qgs, Qgd這兩個(gè)參數(shù)。使用過(guò)程中給柵源極加電壓的過(guò)程同時(shí)給柵源極電容充電的過(guò)程（電容電壓不能突變），所以MOS管源極和漏極間由截止到導(dǎo)通的開(kāi)通過(guò)程受柵極電容的充電過(guò)程影響。

然而，MOS管中柵源極、柵漏極、源漏極三個(gè)等效電容是串并聯(lián)組合關(guān)系，它們會(huì)相互影響，如果獨(dú)立的就很簡(jiǎn)單了。其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是柵漏極間的電容Cgd，這個(gè)電容稱(chēng)為米勒電容。這個(gè)電容是變化的，隨柵極和漏級(jí)間電壓變化。米勒電容阻礙柵極和源級(jí)電容充電，因?yàn)闁艠O給柵-源電容Cgs充電達(dá)到一個(gè)節(jié)點(diǎn)后，柵極的充電電流必須給米勒電容Cgd充電，這時(shí)柵極和源級(jí)間電壓不再升高，達(dá)到一個(gè)平臺(tái)，這個(gè)是米勒平臺(tái)（米勒平臺(tái)就是給Cgd充電的過(guò)程），米勒平臺(tái)帶來(lái)的影響就是米勒振蕩。（柵極先給Cgs充電，到達(dá)一定平臺(tái)后再給Cgd充電）。這個(gè)時(shí)候源級(jí)和漏級(jí)間電壓迅速變化，內(nèi)部電容相應(yīng)快速充放電，這些電流脈沖會(huì)導(dǎo)致MOS管寄生電感產(chǎn)生感抗，這里面就有電容，電感，電阻組成震蕩電路（形成2個(gè)回路），并且電流脈沖越強(qiáng)頻率越高震蕩幅度越大，因此關(guān)鍵的問(wèn)題是米勒平臺(tái)如何過(guò)渡。

柵源極間加電容或者減慢MOS管導(dǎo)通時(shí)間，有助于減小米勒振蕩，防止mos管不良。過(guò)快的充電會(huì)導(dǎo)致激烈的米勒震蕩，然而過(guò)慢的充電雖減小了震蕩，但會(huì)延長(zhǎng)開(kāi)關(guān)時(shí)間從而增加開(kāi)關(guān)損耗。MOS管開(kāi)通過(guò)程源漏極間等效電阻相當(dāng)于從無(wú)窮大電阻到阻值很小的導(dǎo)通內(nèi)阻的一個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程，我們知道有的MOS管導(dǎo)通電阻小至幾毫歐，如此大的變化要MOS管安全穩(wěn)定工作我們?cè)谠O(shè)計(jì)中要設(shè)計(jì)好參數(shù)。比如MOS管最大電流100A，電池電壓48V，在開(kāi)通過(guò)程中，有那么一瞬間（剛進(jìn)入米勒平臺(tái)時(shí)）MOS管發(fā)熱功率是P=V*I(此時(shí)電流已達(dá)最大，所有的功率都降落在MOS管上)，P=48*100=4800w，這時(shí)它發(fā)熱功率最大，隨后發(fā)熱功率迅速降低直到完全導(dǎo)通時(shí)功率變成100*100*0.003=30w（假設(shè)這個(gè)MOS管導(dǎo)通內(nèi)阻3毫歐）。可以看出MOS管開(kāi)關(guān)過(guò)程中發(fā)熱功率變化是驚人的。但是開(kāi)通時(shí)間變慢，意味著發(fā)熱從4800w到30w過(guò)渡的慢，MOS管在這個(gè)過(guò)程中結(jié)溫會(huì)升高同樣發(fā)熱厲害。所以開(kāi)關(guān)時(shí)間越慢，結(jié)溫越高，同樣容易燒MOS管。為了降低MOS管不良，只能降低MOS管使用電流流或者降低電池電壓，比如電流降低到50A或電壓降低一半成24V，這樣開(kāi)關(guān)發(fā)熱損耗也降低了一半。這也是高壓控容易燒管子原因，高壓控制和低壓控制只有開(kāi)關(guān)損耗不一樣（開(kāi)關(guān)損耗和電池端電壓基本成正比，假設(shè)限流一樣），導(dǎo)通期間損耗完全受MOS管的內(nèi)阻決定，和電池電壓沒(méi)任何關(guān)系。

其實(shí)MOS管導(dǎo)通過(guò)程更加復(fù)雜，里面變量更多。簡(jiǎn)單言之就是開(kāi)關(guān)慢不容易米勒震蕩，但開(kāi)關(guān)損耗大，管子發(fā)熱大，開(kāi)關(guān)速度快理論上開(kāi)關(guān)損耗低（只要能有效抑制米勒震蕩），但是往往米勒震蕩很厲害（如果米勒震蕩很?chē)?yán)重，可能在米勒平臺(tái)就燒管子了），反而開(kāi)關(guān)損耗也大。設(shè)計(jì)師的驅(qū)動(dòng)電路布線和主回路布線技能決定了MOS管的正常使用，目的就是找個(gè)平衡點(diǎn)（一般開(kāi)通過(guò)程不超過(guò)1us）。開(kāi)通損耗簡(jiǎn)單，只和導(dǎo)通電阻成正比，想大電流低損耗找內(nèi)阻低的。

下面對(duì)MOS管挑選的重要參數(shù)簡(jiǎn)要說(shuō)明

以合芯半導(dǎo)體封裝的75N80低壓MOS管的datasheet舉例說(shuō)明。

柵極電荷：Qgs, Qgd

Qgs:指的是柵極從0v充電到對(duì)應(yīng)電流米勒平臺(tái)時(shí)總充入電荷（實(shí)際電流不同，這個(gè)平臺(tái)高度不同，電流越大，平臺(tái)越高，這個(gè)值越大）。這個(gè)階段是給Cgs充電（也相當(dāng)于Ciss，輸入電容）。

Qgd:指的是整個(gè)米勒平臺(tái)的總充電電荷（在這稱(chēng)為米勒電荷）。這個(gè)過(guò)程給Cgd（Crss，這個(gè)電容隨著柵漏極電壓不同迅速變化）充電。

合芯半導(dǎo)體的MOS管75N80管Qgs是27nc，Qgd是47nc。結(jié)合它的充電曲線。

進(jìn)入平臺(tái)前給Cgs充電，總電荷Qgs 20nc，平臺(tái)米勒電荷Qgd 30nc。

開(kāi)關(guān)電源中MOS管開(kāi)關(guān)過(guò)程中，從Vgs開(kāi)始超過(guò)閾值電壓VTH，到米勒平臺(tái)結(jié)束是主要發(fā)熱區(qū)間。其中米勒平臺(tái)結(jié)束后MOS管基本完全打開(kāi)這時(shí)損耗是基本導(dǎo)通損耗（MOS管內(nèi)阻越低損耗越低）。閾值電壓前，MOS管沒(méi)有打開(kāi)，只有漏電流引起的一點(diǎn)損耗。Qgs充電將近結(jié)束，快到米勒平臺(tái)和剛進(jìn)入米勒平臺(tái)這個(gè)過(guò)程發(fā)熱功率最大。

所以一定充電電流下，總電荷小的管子會(huì)很快度過(guò)發(fā)熱區(qū)，這樣發(fā)熱區(qū)間時(shí)間就短，總發(fā)熱量就低。所以理論上選擇Qgs和Qgd小的mos管能快速度過(guò)開(kāi)關(guān)區(qū)。

導(dǎo)通內(nèi)阻。Rds（on）。這個(gè)耐壓一定情況下是越低越好。不過(guò)不同廠家標(biāo)的內(nèi)阻是有不同測(cè)試條件的。測(cè)試條件不同，內(nèi)阻測(cè)量值會(huì)不一樣。同一管子，溫度越高內(nèi)阻越大（這是硅半導(dǎo)體材料在mos制造工藝的特性，很難改善）。所以大電流測(cè)試內(nèi)阻會(huì)增大（大電流下結(jié)溫會(huì)顯著升高），小電流或脈沖電流測(cè)試，內(nèi)阻降低。

所以我們?cè)趨?shù)選擇上是------------找Qgs和Qgd小的mos管，并同時(shí)符合低內(nèi)阻的mos管。

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