硬件-MOS管-米勒电容
硬件-MOS管-米勒电容
MOS管的米勒效应是电子工程中一个重要的概念，它会影响MOS管的开关速度和功耗。本文将详细介绍米勒效应的解决办法，并通过示波器波形图分析米勒电容的工作原理。
一、米勒效应的解决办法
米勒电容会使MOS管的上升沿时间变长，导致MOS管发热增加。以下是几种常见的解决方法：
增大MOS管的驱动功率：这是最通用的方法。可以通过使用专用的MOS管驱动芯片或图腾柱驱动来实现。
在GS之间并联一个10nF的电容：这个电容可以在上升沿的第一个阶段存储驱动电荷，在第二个阶段释放电荷给CGD充电。虽然这种方法的效果有限，但在某些情况下仍能起到一定的作用。
采用ZVS零电压控制：这种方法特别适用于逆变器和开关电源。通过将VGS的上升沿设置在VDS的过零点，可以减小米勒效应的影响。
二、米勒电容的示波器图分析
2.1 米勒平台波形图
当我们用示波器观察MOS管G端的波形时（黄色线），中间平缓的区间就是由MOS管的米勒电容造成的，这种现象被称为米勒效应。
2.2 米勒电容前置知识
- 使MOS管导通的不是G点关于GND的电压，而是GS两端的电压差Vgs。
- G端的PWM上升和下降沿不够陡峭（黄色线），是MOS管发热的主要原因。上升沿的爬升部分用时越长，MOS管发热就越多，下降沿同理，米勒电容延迟了上升和下降沿的时间。
2.3 MOS管的三个电容
在MOS管的等效模型中存在三个电容：
- 输入电容：Ciss = Cgd + Cgs
- 输出电容：Coss = Cgd + Cds（MOS管关断时，D和S两端的电容）
- 反向传输电容：Crss = Cgd
2.4 寄生的Cgd电容（米勒电容）
Cgd是米勒电容的主角。因为Cgd在G和D之间，使得输出的信号被耦合到了输出端，导致的后果就是MOS管的开通时间延长，MOS管的发热量加大，严重降低了MOS管的性能，又或者是使MOS管误导通烧毁电路。
- Cgs：造成上升沿缓慢和振铃现象。
- Cds：主要是影响功率回路。
2.5 米勒效应三个阶段
MOS管导通过程：
PWM的低电平阶段时，MOS管不导通；Vgs = 0V，Cgs两端电压 = 0V；Cgd两端电压 = -7V；Vds = Vcc = 7V，Ids = 0A。
PWM的上升沿出现时，Vgs电压逐渐上升，这个上升的过程分为三个阶段：
第一阶段：驱动电压对Cgs和Cgd同时充电，电压将正电荷推向G端，电荷兵分两路；一路往下，正电荷被灌进Cgs的G端的电压逐渐抬升，另一路向上，驱动电压将正电荷推进了Cgd的下极板，下极板的负电荷被中和掉一部分，上极板的正电荷被挤出一部分（这是米勒电容的物理现象叫消融），由于此时的MOS管是关断的，这一部分正电荷只能够是流入VCC端电容，电容CGD上极板的电压等于VCC是不变的，下极板的负电荷逐渐被正电荷中和掉，那么这个电容两端的电压差逐渐减少，所以下极板的电压也是逐渐上升的，那么综合来看，这两个电容共同的结果都是使G端的电压逐渐上升，普遍的说法是，此时CGD对电流的分流比较少，所以可以忽略掉这个电容。
第二阶段：随着Vgs电压逐渐上升，当Vgs > Vgsth，MOS管开始逐渐导通，VDS电压会急剧下降，ds两端就像一个开关，闭合电容CGD的上极板电压急剧下降，这个过程中，伴随着大量的正电荷被吸到gs的GND端，与此同时，下极板大量的吸收正电荷，这些正电荷就是从驱动端的电流过来的，此时Cgd犹如洪水猛兽一样，将驱动端几乎所有的电流都吸走，而下面的电容Cgs电荷却得不到补充，所以这期间（图中的②）VGS就无法继续上升，也就出现了一个平台（米勒平台），有时候米勒电容胃口太大，甚至驱动电压还不够它吸收，这时候就会从Cgs吸走正电荷，这种情况下，米勒平台就是凹陷的，虽然CGD的胃口很大，但好在CGD还是充满了，此时，mos管完全导通，上极板相当于直接接到了gnd,所以上极板的电压等于0V，Vgd等于驱动电压，mos就这样在稳定的状态下等待着下降沿的出现，关于下降沿同样会出现米勒效应，以上就是描述单个MOS管的米勒效应。
第三阶段：MOS管完全导通后，上极板相当于直接接到了GND，所以上极板的电压等于0V，Vgd等于驱动电压，MOS管就这样在稳定的状态下等待着下降沿的出现。
从示波器波形图可以看出，米勒平台回沟很严重，这可能是由于驱动能力不足造成的。可以尝试增加驱动芯片的驱动电容大小，或者更换Cgd较小的MOSFET，或者使用图腾柱驱动。