MOS管应用概述之米勒振荡

上一节讲了MOS管的等效模型，引出了米勒振荡，可以这么讲，在电源设计中，米勒振荡是一个很核心的一环，尤其是超过100KHz以上的频率，而作者是做超高频感应加热电源的，工作频率在500K~1MHz范围，功率大于5KW，拓扑结构是LLC电路，H桥输出，此外为了实现功率线性可调节，采用40Hz PWM调制，可以理解为H桥以25mS为周期，不停的开始，关闭，而因为感应加热设备的负载是并联LC谐振环，这样每一次的开始等价于输出短路，所以开始的10来个周期的高频脉冲波形特别难看，米勒振荡很严重，如下图（Infineon C6 MOS管波形）：

大家知道Si MOS的Vgs电压工作范围为正负20V，超过这个电压，栅极容易被击穿，所以在米勒振荡严重的场合，需要加限压的稳压二极管，一般采用15V稳压二极管，有些采用15V的TVS管，响应速度快，但是TVS管相比稳压二极管来说，精度比较差，一致性不是很强，一般情况下还是推荐用稳压二极管。

上图为MOS管GS之间并联了稳压二极管，实现15V驱动电压钳制。稳压二极管一般用于米勒振荡严重的场合，尤其是频率特别高的，对于波形良好的软开关，或者振荡不明显的硬开关，不需要稳压二极管钳制。

米勒振荡若只是引起GS绝缘层击穿，那么加稳压二极管很容易解决，问题的关键在于，米勒振荡往往引起二次开关，也就是说，导通了又关闭又导通，多次开关，多次开关带来的直接效应，就是开关损耗急剧提升。在高频开关中，MOS管的损耗分为导通损耗和开关损耗两种，导通损耗也就是通常所说的DS两极导通后的欧姆热损耗，然而在特别高的高频下，导通损耗是次要的，开关损耗上升为主要矛盾，所谓开关损耗就是从关闭到导通，或者从导通到关闭，因为这个0->1, 1->0的过程中，有高压，又有电流，所以这个损耗很大，最早开关电源都是采用硬开关的，而开关损耗在硬开关中表现突出，此外开关损耗因为有高的电压和强的电流，瞬间功率很高，比如电压310V，开关时中间电流假设为10A，则瞬间功率就有3100W，冲击性很强，容易导致MOS管局部损伤，所以为了解决硬开关，引入了零电压(ZVS)、零电流(ZCS)的软开关技术，然而虽然软开关技术很好的解决了开关损耗问题，但是开关损耗还是存在，只是大大降低了，但是米勒振荡的多次开关，又提升了开关损耗。

米勒振荡若只是以上两点问题，那还不是问题的根本，最最让设计者头疼的是，在大功率拓扑结构中广泛使用的H桥，米勒振荡会存在一种可能，那就是上下管子恰好在某同一时刻导通，若导通的时间略长一些，则引起上下管子通过的瞬间电流巨大，因为MOS管的内阻都很小，只有百毫欧级别，当310V除以百毫欧姆电阻，产生的瞬间电流都在上百A，哪怕因为布线存在电感，实际这个电流小一些，但这个瞬间产生的功率还是巨大的，假设瞬间100A，则瞬间功率31000W，这么强的瞬间冲击，很容易让功率管损伤甚至烧坏而炸机。很多时候，短时间在公司测试OK，甚至十来天都OK，功率管温度也不高，但是一到客户哪儿就出问题，往往跟这个有关。

总结以上，米勒振荡引起三个问题：
1、击穿GS电压，引入稳压二极管钳制。
2、二次开关，引入软开关。
3、上下管子导通，让人头大的问题及斗争的重点，下一节讲。

下图为仿真的MOS管驱动波形，大家可以看到里面有一个米勒振荡，信号源为10V，100KHz


米勒振荡的本质是因为在高压和高速开关下，注意是高压和高速开关下，MOS管在高压高速开关下，就是一个典型的高增益负反馈系统，负反馈特别严重(上一节讲到MOS管就是反相器)，高增益负反馈很容易引起振荡，尤其是反馈还是电容，又引入了相位移动，反馈相位接近270度。负反馈180度是稳定点，360度是振荡点，270度处于稳定与振荡点之间，所以强的负反馈会表现为衰减式振荡。（通俗的理解：输入因为有电感和电阻的限流，高压下反馈突变信号通过电容，因为不平衡引起振荡，这个类似热水器的温控PID。）

相同条件下，低压下因为负反馈没有这么剧烈，所以米勒振荡会很小，一般高频电源先用低压100V测试，波形很好，看不到米勒振荡，但是到了300V，波形就变差了。


下期讲解MOS管的米勒振荡应对方法。

转自雨滴技术论坛-凤舞天

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