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前言

【資料圖】

對(duì)于MOSFET，米勒效應(yīng)（Miller Effect）指其輸入輸出之間的分布電容（柵漏電容）在反相放大作用下，使得等效輸入電容值放大的效應(yīng)。由于米勒效應(yīng)，MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)形成平臺(tái)電壓，引起開關(guān)時(shí)間變長(zhǎng)，開關(guān)損耗增加，給MOS管的正常工作帶來(lái)非常不利的影響。

Number01.理解米勒效應(yīng)

可以看成是一個(gè)電容的負(fù)反饋。在驅(qū)動(dòng)前，Crss上是高電壓，當(dāng)驅(qū)動(dòng)波形上升到閾值電壓時(shí)，MOS管導(dǎo)通，d極電壓急劇下降，通過(guò)Crss拉低g腳驅(qū)動(dòng)電壓，如果驅(qū)動(dòng)功率不足，將在驅(qū)動(dòng)波形的上升沿閾值電壓附近留下一個(gè)階梯，如下圖。

有時(shí)甚至?xí)幸粋€(gè)下降尖峰趨勢(shì)平臺(tái)，而這個(gè)平臺(tái)增加了MOS管的導(dǎo)通時(shí)間，造成了我們通常所說(shuō)的導(dǎo)通損耗。

Number02.MOSFET結(jié)構(gòu)及寄生電容的分布

MOSFET結(jié)構(gòu)

圖1：垂直型MOSFET結(jié)構(gòu)

圖1是垂直型MOSFET的結(jié)構(gòu)，它是一個(gè)由P區(qū)域和 N+的源區(qū)組成的雙擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。漏極（drain）和源極（source）分別放在晶圓的兩面，這樣的結(jié)構(gòu)適合制造大功率器件。因?yàn)榭梢酝ㄟ^(guò)增加外延層（epitaxial layer）的長(zhǎng)度，來(lái)增加漏源極之間的電流等級(jí)，提高器件的擊穿電壓能力。另外從圖中，還可以清晰看出MOSFET的寄生體二極管。

寄生電容

圖2. MOSFET的寄生電容及等效電路

MOSFET的寄生電容主要包括柵源電容（Cgs）、柵漏電容（Cgd）以及漏源電容（Cds）。從圖2中左圖看到，Cds是由漏極和源極之間的結(jié)電容形成，Cgd柵極和漏極間的耦合電容。Cgs則較為復(fù)雜，由柵極和源極金屬電極之間的電容Co、柵極和 N+ 源極擴(kuò)散區(qū)的電容 CN+ ，以及柵極和擴(kuò)散區(qū)P區(qū)的電容Cp組成。

一般器件的手冊(cè)中，都會(huì)以下列形式給出MOSFET的寄生電容，

輸入電容： Ciss=Cgd+Cgs輸出電容： Coss=Cgd+Cds反向傳輸電容：Crss=CgdNumber03.MOSFET的開通過(guò)程

①t0—t1階段

這個(gè)過(guò)程中，驅(qū)動(dòng)電流ig為Cgs充電，Vgs上升，Vds和Id保持不變。一直到t1時(shí)刻，Vgs上升到閾值開啟電壓Vg(th)。在t1時(shí)刻以前，MOS處于截止區(qū)。

②t1—t2階段

t1時(shí)刻，MOS管就要開始導(dǎo)通了，也就標(biāo)志著Id要開始上升了。這個(gè)時(shí)間段內(nèi)驅(qū)動(dòng)電流仍然是為Cgs充電，Id逐漸上升，在上升的過(guò)程中Vds會(huì)稍微有一些下降，這是因?yàn)橄陆档膁i/dt在雜散電感上面形成一些壓降。

從t1時(shí)刻開始，MOS進(jìn)入了飽和區(qū)。在飽和有轉(zhuǎn)移特性：Id=Vgs*Gm。其中Gm是跨導(dǎo)，只要Id不變Vgs就不變。Id在上升到最大值以后，而此時(shí)又處于飽和區(qū)，所以Vgs就會(huì)維持不變。

③t2—t3階段

從t2時(shí)刻開始，進(jìn)入米勒平臺(tái)時(shí)期，米勒平臺(tái)就是Vgs在一段時(shí)間幾乎維持不動(dòng)的一個(gè)平臺(tái)。此時(shí)漏電流Id最大。且Vgs的驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)移給Cgd充電，Vgs出現(xiàn)了米勒平臺(tái)，Vgs電壓維持不變，然后Vds就開始下降了。

④t3~t4階段

當(dāng)米勒電容Cgd充滿電時(shí)，Vgs電壓繼續(xù)上升，直至MOS管完全導(dǎo)通。

以上是MOS管開通的四個(gè)過(guò)程。

所以在米勒平臺(tái)，是Cgd充電的過(guò)程，這時(shí)候Vgs變化很小，當(dāng)Cgd和Cgs處在同等水平時(shí)，Vgs才開始繼續(xù)上升。

Number04.米勒效應(yīng)對(duì)MOSFET開關(guān)過(guò)程的影響

下面以圖4中電機(jī)控制電路來(lái)說(shuō)明米勒效應(yīng)對(duì)MOSFET開通關(guān)斷過(guò)程的影響。在圖10控制電路中，上管導(dǎo)通時(shí)，VDD通過(guò)Q1、Q4對(duì)電機(jī)進(jìn)行勵(lì)磁；上管關(guān)斷時(shí)，電機(jī)通過(guò)Q4、Q3進(jìn)行去磁。在整個(gè)工作過(guò)程中，Q4一直保持開通，Q1, Q2交替開通來(lái)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行勵(lì)磁和去磁。

圖4. 電機(jī)控制電路

圖5，圖6是上下管開通關(guān)斷時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓測(cè)試波形?？梢郧宄目吹剑谏瞎荛_通和關(guān)斷時(shí)，下管柵極上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰，尖峰的電壓增加了上下管同時(shí)導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成非常大的電流同時(shí)流過(guò)上下管，損壞器件。

圖5. 上管開通下管關(guān)斷時(shí)的測(cè)試波形

圖6. 上管關(guān)斷上管開通時(shí)的測(cè)試波形

下管開通關(guān)斷出現(xiàn)的這種波形是由漏柵電容導(dǎo)致的寄生開通現(xiàn)象。在下管關(guān)斷后，上管米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)，橋臂中點(diǎn)電壓由0升到VDD，MOSFET的源極和漏極之間產(chǎn)生陡峭的的dV/dt。由此在漏柵電容產(chǎn)生的電流會(huì)流到柵極，經(jīng)柵極電阻到地，這樣就會(huì)在柵極電阻上產(chǎn)生的電壓降。這種情況，就會(huì)可能發(fā)生上下管同時(shí)導(dǎo)通，損壞器件。

下管的這個(gè)Vgs尖峰電壓（也有公司稱之為Vgs bouncing）可以表達(dá)為：

Rgoff驅(qū)動(dòng)關(guān)斷電阻，Rg,ls(int)為MOSFET柵極固有電阻，Rdrv為驅(qū)動(dòng)IC的電阻。從公式（1）可以看到，該電壓與Rgtot和Cgd呈正向相關(guān)。

所以解決這個(gè)問(wèn)題有兩類方法：

1. 減小Rgtot。由公式（2）知道，Rg,ls(int)由器件本身決定，Rdrv由驅(qū)動(dòng)IC決定，所以一般是選擇合適的Rg來(lái)平衡該Vgs bouncing電壓。

2. 選擇Crss/Ciss（即Cgd/Cgs）低的MOSFET有助于降低Vgs尖峰電壓值?；蛘咴贛OSFET柵源之間并上一個(gè)電容，也會(huì)吸收dV/dt產(chǎn)生的漏刪電流。圖7是在下管的GS兩端并聯(lián)5.5nF電容后的開關(guān)波形，可以看到電壓明顯降低，由圖5中的3.1V降低到1.7V，大大降低了上下管貫通的風(fēng)險(xiǎn)。

同理，上管關(guān)斷至米勒平臺(tái)結(jié)束時(shí)，下管開通前，橋臂中點(diǎn)電壓由VDD降為0，MOSFET的源極和漏極之間產(chǎn)生陡峭的的dV/dt。由此就會(huì)在柵極上面產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓。

同時(shí)，由圖5，圖6，可以觀察到，下管開通關(guān)斷過(guò)程中，都沒有出現(xiàn)米勒平臺(tái)現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谄溟_通關(guān)斷時(shí)，由于Motor中的電流經(jīng)過(guò)下管的體二極管續(xù)流，DS兩端電壓很小，所以米勒平臺(tái)也就形成不了了。

審核編輯：湯梓紅