MOS管相比于三極管，開關速度快，導通電壓低，電壓驅動簡單，所以越來越受工程師的喜歡，然而，若不當設計，哪怕是小功率MOS管，也會導致芯片燒壞，原本想著更簡單的，最后變得更加復雜。這幾年來一直做高頻電源設計，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驗總結一番，形成理論模型。

(一)：等效模型

MOS管等效電路及應用電路如下圖所示：

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，也就是等效于一個反相器，也可以理解為一個反相工作的運放，如下圖：

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

因為MOS管的反饋引入了電容，當這個電容足夠大，并且前段信號變化快，后端供電電壓高，三者結合起來，就會引起積分過充振蕩，這個等價于溫控的PID中的I模型，要想解決解決這個米勒振蕩，在頻率和電壓不變的情況下，一般可以提高MOS管的驅動電阻，減緩開關的邊沿速度，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管性能遠遠不如碳化硅性能，它的各個指標都很小，當米勒振蕩通過其他手段無法降低時，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，在電源設計中，米勒振蕩是一個很核心的一環(huán)，尤其是超過100KHz以上的頻率，而作者是做超高頻感應加熱電源的，工作頻率在500K~1MHz范圍，功率大于5KW，拓撲結構是LLC電路，H橋輸出，此外為了實現功率線性可調節(jié)，采用40Hz PWM調制，可以理解為H橋以25mS為周期，不停的開始，關閉，而因為感應加熱設備的負載是并聯(lián)LC諧振環(huán)，這樣每一次的開始等價于輸出短路，所以開始的10來個周期的高頻脈沖波形特別難看，米勒振蕩很嚴重，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20V，超過這個電壓，柵極容易被擊穿，所以在米勒振蕩嚴重的場合，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，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，實現15V驅動電壓鉗制。穩(wěn)壓二極管一般用于米勒振蕩嚴重的場合，尤其是頻率特別高的，對于波形良好的軟開關，或者振蕩不明顯的硬開關，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，問題的關鍵在于，米勒振蕩往往引起二次開關，也就是說，導通了又關閉又導通，多次開關，多次開關帶來的直接效應，就是開關損耗急劇提升。在高頻開關中，MOS管的損耗分為導通損耗和開關損耗兩種，導通損耗也就是通常所說的DS兩極導通后的歐姆熱損耗，然而在特別高的高頻下，導通損耗是次要的，開關損耗上升為主要矛盾，所謂開關損耗就是從關閉到導通，或者從導通到關閉，因為這個0->1, 1->0的過程中，有高壓，又有電流，所以這個損耗很大，最早開關電源都是采用硬開關的，而開關損耗在硬開關中表現突出，此外開關損耗因為有高的電壓和強的電流，瞬間功率很高，比如電壓310V，開關時中間電流假設為10A，則瞬間功率就有3100W，沖擊性很強，容易導致MOS管局部損傷，所以為了解決硬開關，引入了零電壓(ZVS)、零電流(ZCS)的軟開關技術，然而雖然軟開關技術很好的解決了開關損耗問題，但是開關損耗還是存在，只是大大降低了，但是米勒振蕩的多次開關，又提升了開關損耗。

米勒振蕩若只是以上兩點問題，那還不是問題的根本，最最讓設計者頭疼的是，在大功率拓撲結構中廣泛使用的H橋，米勒振蕩會存在一種可能，那就是上下管子恰好在某同一時刻導通，若導通的時間略長一些，則引起上下管子通過的瞬間電流巨大，因為MOS管的內阻都很小，只有百毫歐級別，當310V除以百毫歐姆電阻，產生的瞬間電流都在上百A，哪怕因為布線存在電感，實際這個電流小一些，但這個瞬間產生的功率還是巨大的，假設瞬間100A，則瞬間功率31000W，這么強的瞬間沖擊，很容易讓功率管損傷甚至燒壞而炸機。很多時候，短時間在公司測試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，往往跟這個有關。

總結以上，米勒振蕩引起三個問題：

1、擊穿GS電壓，引入穩(wěn)壓二極管鉗制。

2、二次開關，引入軟開關。

3、上下管子導通，頭大，斗爭的重點，下一節(jié)講。

下圖為仿真的MOS管驅動波形，大家可以看到里面有一個米勒振蕩，信號源為10V，100KHz

米勒振蕩的本質是因為在高壓和高速開關下，注意是高壓和高速開關下，MOS管在高壓高速開關下，就是一個典型的高增益負反饋系統(tǒng)，負反饋特別嚴重(上一節(jié)講到MOS管就是反相器)，高增益負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，反饋相位接近270度。負反饋180度是穩(wěn)定點，360度是振蕩點，270度處于穩(wěn)定與振蕩點之間，所以強的負反饋會表現為衰減式振蕩。（通俗的理解：輸入因為有電感和電阻的限流，高壓下反饋突變信號通過電容，因為不平衡引起振蕩，這個類似熱水器的溫控PID。）

相同條件下，低壓下因為負反饋沒有這么劇烈，所以米勒振蕩會很小，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)：米勒振蕩的應對

米勒振蕩是因為強的負反饋引起的開關振蕩，導致二次導通，對于后級大功率半橋、全橋等H橋拓撲結構應用中，容易導致上下管子瞬間導通從而炸毀管子，這個是開關電源設計中最核心的一環(huán)，所以如何避免米勒振蕩可以認為是開關電源設計的核心關鍵。

A、減緩驅動強度

1、提高MOS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。看實際需求。

調節(jié)電阻電容值，提高電阻和電容，降低充放電時間，減緩開關的邊沿速度，這個方式特別適合于硬開關電路，消除硬開關引起的振蕩。

B、加強關閉能力

1、差異化充放電速度，采用二極管加速放電速度

2、當第一種方案不足時，關閉時直接把GS短路

3、當第二種方案不足時，引入負壓確保關斷。

C、增加DS電容

在ZVS軟開關電路中，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，不能太大，有利于米勒振蕩，注意該電容的發(fā)熱量，頻率更高的時候，需要用云母電容

D、提高漏極電感方式

相對應方案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電流的場合，否則該磁珠就發(fā)熱太高而失效。

2、PCB布線時，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，但這個需要自身的技術水平較高，否則容易失敗，此外布線長度提高，需要相應的考慮MOS管的耐壓，嚴重的，需要加MOS管吸收電路。

E、常用的MOS管吸收電路，利于保護MOS管因關閉時產生過高的電壓導致DS擊穿，對米勒振蕩也有幫助，電路形式多樣，以下列舉四種，應用場合不同，采用不同的方式。

(四)：基本參數

mos管的基本參數，大家熟悉的必然是Ids電流，Ron導通電阻，Vgs的閾值電壓，Cgs、Cgd、Cds這幾項，然而在高速應用中，開關速度這個指標比較重要。

上圖四項指標，第一項是導通延時時間，第二項是上升時間，第三項是關閉延時時間，第四項是下降時間。定義如下圖：

在高速H橋應用中，MOS管內部的反向并聯(lián)寄生二極管的響應速度指標Trr，也就是二極管的反向恢復時間這個指標很重要，否則容易炸機，下圖為高速二極管。

高速下，二極管也不是理想的，二極管導通后，PN節(jié)中充滿了電子和空穴，當瞬間反向加電的時候，需要時間恢復截止，這個類似一扇門打開了，需要時間關上，但在高速下，這個關上的時間太長，就會導致H橋上下管子導通而燒壞。所以在高速應用中，直接因為MOS管工藝寄生的二極管的反向恢復時間太長，所以需要用特殊的工藝制作實現高速的內置二極管，但哪怕特殊工藝制作的，其性能也達不到獨立的高速二極管性能，只是比原MOS管寄生的指標強一些而已，但已經滿足大部分軟開關的需求了，500KHz下沒問題。比如Infineon的C6系列，后綴帶CFD的管子，內部的二極管就是高速的。

若有些場合需要更高速的二極管，而內置的二極管性能達不到，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，這樣子實現，可以應用于頻率超過500KHz的場合。