浅谈MOSFET中的米勒效应

2024-01-14 21:23| 来源: 网络整理| 查看: 265

引言

本文介绍了米勒效应的由来，并详细分析了MOSFET开关过程米勒效应的影响，帮助定性理解米勒平台的形成机制。最后给出了场效应管栅极电荷的作用。

什么是米勒效应（Miller Effect)

假设一个增益为-Av 的理想反向电压放大器

在放大器的输出和输入端之间连接一个阻值为Z 的阻抗。容易得到，

把阻抗Z 替换为容值为C 的电容，

由此可见，反向电压放大器增加了电路的输入电容，并且放大系数为（1+Av）。

这个效应最早由John Milton Miller 发现，称为米勒效应。

MOSFET中米勒效应分析

MOSFET中栅-漏间电容，构成输入（GS）输出（DS）的反馈回路，MOSFET中的米勒效应就形成了。

在t0-t1 时间内，VGS上升到MOSFET 的阈值电压VG(TH)。

在t1-t2时间内，VGS继续上升到米勒平台电压，漏极电流ID 从0 上升到负载电流。（NOTE：在漏极电流 $I_{DS}$ 未到负载电流 $I_{D}$ 时，一部分的负载电流（ $I_{DS}-I_{D}$ ）流过二极管D，二极管导通MOSFET的漏极电压 $V_{DS}$ 被VDD钳位，保持不变，驱动电流只给 $C_{GS}$ 充电， $V_{GS}$ 电压升高。一旦 $I_{DS}$ 达到负载电流 $I_{D}$ , 二极管D反向截止，MOSFET的漏极电压 $V_{DS}$ 开始下降，驱动电流全部转移给 $C_{GD}$ 充电， $V_{GS}$ 也就保持米勒平台电压不变。）

在t2-t3 时间内， $V_{GS}$ 一直处于平台电压， $V_{DS}$ 开始下降至正向导通电压VF。

在t3-t4 时间后， $V_{GS}$ 继续上升。

栅极电荷

首先，我们看一下MOSFET 寄生电容的大体情况。在MOSFET 的DATASHEET

中，采用的定义方法如图所示。需要注意的是， $C_{rss}$ 就是我们所说的 $C_{GD}$ 。

一般在MOSFET 关闭状态下， $C_{GS}$ 比 $C_{GD}$ 要大很多。以IRFL4310 为例，

IRFL4310中， $Ciss=C_{GS}+C_{GD}=330pF$ , $Crss=C_{GD}=54pF$ , 则， $C_{GS}=Ciss-C_{GD}=276pF$ 。需要指出的是两者的值都与电容两端的电压相关，这也就是为什么在DATASHEET 中会标明测试的条件。

几乎所有的MOSFET规格书中，会给出栅极电荷的参数。栅极电荷让设计者很容易计算出驱动电路开启MOSFET所需要的时，Q=I*t间。例如一个器件栅极电荷Qg为20nC，如果驱动电路提供1mA充电电流的话，需要20us来开通该器件；如果想要在20ns就开启，则需要把驱动能力提高到1A。如果利用输入电容的话，就没有这么方便的计算开关速度了。

下图是栅极电荷波形， $Q_{GS}$ 被定义为原点与 Miller Plateau ( $V_{GP}$ ) 起点之间的电荷值 ; $Q_{GD}$ 被定义为从 $V_{GP}$ 到效应平台末端之间的电荷值； $Q_{G}$ 被定义为从原点到波曲线顶点之间的电压，此时驱动电压值 $V_{GS}$ 与装置的实际栅极电压值相等。备注

栅极电荷波形图

参考文献

1. Power MOSFET Basics By Vrej Barkhordarian, International Rectifier, El Segundo, Ca.

2. Miller effect - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Miller_effect

3. Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using it to Assess Switching Performance.

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