開關電源中功率MOS管米勒效應介紹

合芯半導體針對開關電源中MOS管在開關狀態下的米勒效應做給簡要的介紹給大家，方便大家對MOS管（MOSFET）在開關電源中的選擇作幫助，同時能說明開關電源使用中功率器件MOS管（MOSFET）燒管的多數原因，客戶在使用過程和電路設計過程把握住MOS管的關鍵參數。

MOSFET在開關電源電路中的四個工作狀態：開通過程（由截止到導通的過程）、導通狀態、關斷過程（由導通到截止的過程）、截止狀態。

MOSFET主要損耗也主要在這幾個狀態過程，開關損耗（開通過程和關斷過程），導通損耗，截止損耗（漏電流引起的，這個可以忽略），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，mos管即就會正常工作不會有異常甚至燒管，超出這個范圍，容易發生損壞。在這幾個狀態中開關損耗往往大于導通狀態損耗（不同mos管這個有差異。）

MOS管損壞主要原因：

過流----------持續大電流或瞬間超大電流引起的結溫過高而燒毀；

過壓----------源漏過壓擊穿、源柵極過壓擊穿；

靜電----------靜電擊穿。CMOS電路都怕靜電；

MOS管簡要開關原理。MOS管是電壓驅動型器件，只要柵源極間給一個適當電壓（大于Vth），源極和漏極間通路就形成。這個電流通路的電阻被稱為mos導通內阻，指我們常說的導通電阻Rds(on)。這個內阻大小基本決定了mos芯片能承受的最大導通電流（和其它因素也有關，最重要的是熱阻）。內阻越小MOS管承受電流越大，發熱小。

MOS使用問題遠沒這么簡單，麻煩在它的柵源極間，源漏極間，柵漏極間內部均有等效電容，這就要我們要關心MOS管Qgs, Qgd這兩個參數。使用過程中給柵源極加電壓的過程同時給柵源極電容充電的過程（電容電壓不能突變），所以MOS管源極和漏極間由截止到導通的開通過程受柵極電容的充電過程影響。

然而，MOS管中柵源極、柵漏極、源漏極三個等效電容是串并聯組合關系，它們會相互影響，如果獨立的就很簡單了。其中一個關鍵電容就是柵漏極間的電容Cgd，這個電容稱為米勒電容。這個電容是變化的，隨柵極和漏級間電壓變化。米勒電容阻礙柵極和源級電容充電，因為柵極給柵-源電容Cgs充電達到一個節點后，柵極的充電電流必須給米勒電容Cgd充電，這時柵極和源級間電壓不再升高，達到一個平臺，這個是米勒平臺（米勒平臺就是給Cgd充電的過程），米勒平臺帶來的影響就是米勒振蕩。（柵極先給Cgs充電，到達一定平臺后再給Cgd充電）。這個時候源級和漏級間電壓迅速變化，內部電容相應快速充放電，這些電流脈沖會導致MOS管寄生電感產生感抗，這里面就有電容，電感，電阻組成震蕩電路（形成2個回路），并且電流脈沖越強頻率越高震蕩幅度越大，因此關鍵的問題是米勒平臺如何過渡。

柵源極間加電容或者減慢MOS管導通時間，有助于減小米勒振蕩，防止mos管不良。過快的充電會導致激烈的米勒震蕩，然而過慢的充電雖減小了震蕩，但會延長開關時間從而增加開關損耗。MOS管開通過程源漏極間等效電阻相當于從無窮大電阻到阻值很小的導通內阻的一個轉變過程，我們知道有的MOS管導通電阻小至幾毫歐，如此大的變化要MOS管安全穩定工作我們在設計中要設計好參數。比如MOS管最大電流100A，電池電壓48V，在開通過程中，有那么一瞬間（剛進入米勒平臺時）MOS管發熱功率是P=V*I(此時電流已達最大，所有的功率都降落在MOS管上)，P=48*100=4800w，這時它發熱功率最大，隨后發熱功率迅速降低直到完全導通時功率變成100*100*0.003=30w（假設這個MOS管導通內阻3毫歐）。可以看出MOS管開關過程中發熱功率變化是驚人的。但是開通時間變慢，意味著發熱從4800w到30w過渡的慢，MOS管在這個過程中結溫會升高同樣發熱厲害。所以開關時間越慢，結溫越高，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，這樣開關發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關損耗不一樣（開關損耗和電池端電壓基本成正比，假設限流一樣），導通期間損耗完全受MOS管的內阻決定，和電池電壓沒任何關系。

其實MOS管導通過程更加復雜，里面變量更多。簡單言之就是開關慢不容易米勒震蕩，但開關損耗大，管子發熱大，開關速度快理論上開關損耗低（只要能有效抑制米勒震蕩），但是往往米勒震蕩很厲害（如果米勒震蕩很嚴重，可能在米勒平臺就燒管子了），反而開關損耗也大。設計師的驅動電路布線和主回路布線技能決定了MOS管的正常使用，目的就是找個平衡點（一般開通過程不超過1us）。開通損耗簡單，只和導通電阻成正比，想大電流低損耗找內阻低的。

下面對MOS管挑選的重要參數簡要說明

以合芯半導體封裝的75N80低壓MOS管的datasheet舉例說明。

柵極電荷：Qgs, Qgd

Qgs:指的是柵極從0v充電到對應電流米勒平臺時總充入電荷（實際電流不同，這個平臺高度不同，電流越大，平臺越高，這個值越大）。這個階段是給Cgs充電（也相當于Ciss，輸入電容）。

Qgd:指的是整個米勒平臺的總充電電荷（在這稱為米勒電荷）。這個過程給Cgd（Crss，這個電容隨著柵漏極電壓不同迅速變化）充電。

合芯半導體的MOS管75N80管Qgs是27nc，Qgd是47nc。結合它的充電曲線。

進入平臺前給Cgs充電，總電荷Qgs 20nc，平臺米勒電荷Qgd 30nc。

開關電源中MOS管開關過程中，從Vgs開始超過閾值電壓VTH，到米勒平臺結束是主要發熱區間。其中米勒平臺結束后MOS管基本完全打開這時損耗是基本導通損耗（MOS管內阻越低損耗越低）。閾值電壓前，MOS管沒有打開，只有漏電流引起的一點損耗。Qgs充電將近結束，快到米勒平臺和剛進入米勒平臺這個過程發熱功率最大。

所以一定充電電流下，總電荷小的管子會很快度過發熱區，這樣發熱區間時間就短，總發熱量就低。所以理論上選擇Qgs和Qgd小的mos管能快速度過開關區。

導通內阻。Rds（on）。這個耐壓一定情況下是越低越好。不過不同廠家標的內阻是有不同測試條件的。測試條件不同，內阻測量值會不一樣。同一管子，溫度越高內阻越大（這是硅半導體材料在mos制造工藝的特性，很難改善）。所以大電流測試內阻會增大（大電流下結溫會顯著升高），小電流或脈沖電流測試，內阻降低。

所以我們在參數選擇上是------------找Qgs和Qgd小的mos管，并同時符合低內阻的mos管。

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