大、小功率MOS管的理解及經驗總結

設計 工程師 讓-弗朗索瓦·米勒 電子工程師筆記 2019-05-16

MOS管相比於三極管,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,最後變得更加複雜。這幾年來一直做高頻電源設計,也涉及嵌入式開發,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。MOS管等效電路及應用電路如下圖所示:

大、小功率MOS管的理解及經驗總結

把MOS管的微觀模型疊加起來,就如下圖所示:

大、小功率MOS管的理解及經驗總結

我們知道,MOS管的輸入與輸出是相位相反,恰好180度,也就是等效於一個反相器,也可以理解為一個反相工作的運放,如下圖:

大、小功率MOS管的理解及經驗總結

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供電電壓比較高,比如310V下,通過Cgd的電流比較大,強的積分很容易引起振盪,這個振盪叫米勒振盪。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,右邊的是振盪嚴重的米勒振盪:

大、小功率MOS管的理解及經驗總結

大、小功率MOS管的理解及經驗總結

因為MOS管的反饋引入了電容,當這個電容足夠大,並且前段信號變化快,後端供電電壓高,三者結合起來,就會引起積分過充振盪,這個等價於溫控的PID中的I模型,要想解決解決這個米勒振盪,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之間並上低內阻抗衝擊的小電容,或者用RC電路來做吸收電路。下圖給出我常用的三顆大功率MOS管的電容值:LCR電橋直接測量

大、小功率MOS管的理解及經驗總結

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,當米勒振盪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要儘可能的小於Cgs。

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