MOSFET開關使用共源共柵拓撲消除米勒效應詳解-KIA MOS管

米勒電容如何限制高頻放大

以米勒效應為例。在20世紀20年代，美國電子工程師約翰·彌爾頓·米勒發現簡單的真空三極管當作為放大器使用時，由于網格和陽極之間存在內部電容，會出現一個問題。這個電容通過在電容的阻抗隨著不斷升高的運行頻率而降低時施加越來越高的負反饋，降低放大器的帶寬。

米勒認識到，如圖1所示將兩個三極管串聯（如級聯型三極管或共源共柵拓撲）可能會降低從輸入到輸出的總電容。鑒于上管排電壓固定，上三極管的陰極電壓通過下三極管控制。當開發出帶有內部簾柵的四極管后，這種內部電容及其相關效應會降低，從而可以構建可以在數百兆赫下運行的單管放大器。

圖1：原始的聯級三極管或共源共柵電路

米勒效應的回歸

隨著設計師開始用固態半導體代替熱離子管，米勒效應也回歸了，而這又一次開始限制高頻運行。

為什么會這樣？在基于MOSFET的開關電路中，米勒效應限制了開關速度，因為驅動電路必須以一種低損耗的可靠方式為輸入電容充電和放電。這種米勒電容（即CGD）的效應會因柵極電壓而異。

例如，考慮增強模式的MOSFET開關，它在柵極電壓為0V時關閉。總的柵極輸入電容表現為一個網絡（請參見圖2），包括CGS、CGD、CDS、負載ZL和散裝電容CBULK。

CGD兩端還有正電壓。當MOSFET打開時，漏電壓降至接近零，總電容變成與CGS并聯的CGD，且與關態相比跨CGD有負電壓。在從開到關再從關到開的開關過程中，輸入電容必須在這些條件之間交換。

圖2：關閉和打開時的MOSFET輸入電容相同

MOSFET柵極開關波形正向部分的平臺期（參見圖3）代表兩個輸入電容狀態間的轉換，因為驅動器突然必須努力工作，從而使開關轉換變慢。

為了加劇效應，如漏極壓降，它會嘗試“推動”柵極負壓經過CGD，與正的開態電壓命令相抗。當驅動MOSFET關閉時，此過程會反過來。

CGD會嘗試“拉動”柵極正壓，這就是為什么鼓勵處理MOSFET和IGBT的設計師使用負的關態柵極電壓抵消這種效應。這會轉而提高驅動柵極所需的功率。

圖3：柵極驅動電壓的米勒電容“平臺”

控制柵漏電容

器件的柵漏電容CGD會受到半導體器件的體系結構的影響，因此會因橫向或縱向構建而異。

可以盡量降低CGD以獲得低壓MOSFET，但是在高壓下它可以變成一個問題，尤其是當設計師想要使用碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）等材料構建寬帶隙器件時。

有些物理規律是無法規避的：這些技術的開關速度仍受其米勒電容的限制，對抗米勒效應的最佳方式是使用共源共柵電路拓撲。

現代化的共源共柵

基本的SiC開關使用結FET（JFET）結構。如果JFET是作為垂直器件構建的，其CGD可能達到有利的低點，而其漏源電容CDS還可以更低。但是，JFET是常開型器件，其柵極為0V，需要負的柵極電壓才能關閉。

這是橋電路中的問題，在該電路中，所有器件默認為開態，適用瞬時功率。使用常關型器件構建此類電路會更好，該器件可以通過布置共源共柵拓撲結構的Si MOSFET和SiC JFET（圖4）來實現。

圖4：硅/碳化硅共源共柵

當MOSFET柵極和源極電壓為0V時，漏極電壓升高。JFET柵極也為0V，因此當源極電壓從MOSFET漏極電壓升高到10 V時，JFET會見證柵極和源極之間出現-10 V電壓，因此開關關閉。

當MOSFET柵極電壓為正時，它會打開，因此讓JFET的柵極和源極短接，從而打開JFET。這個電路拓撲會創建所需的常關型器件，MOSFET柵極電壓為0V。

該拓撲還意味著串聯的輸入輸出電容包括CDS，以實現JFET，它的值接近于零，從而降低了米勒效應，以及它對高頻增益的影響。

其他優勢

在開關時，Si MOSFET漏極電壓是JFET漏極電壓經過幾乎為零的JFET漏源電容CDS和MOSFET的非零CDS“傾瀉而下”，因此MOSFET漏極保持低壓。這意味著，MOSFET可以是低壓類型，且漏極和源極之間維持非常低的導通電阻，且柵極驅動更加容易。

還有一個優勢，那就是低壓MOSFET的體二極管的前向壓降非常低，且恢復速度快。JFET沒有體二極管，因此當需要第三象限反向開關導電時，如在換流橋電路或同步整流中，MOSFET體二極管會導電。這會將JFET柵源限制到約+0.6 V，從而確保它在最大程度上打開，這可實現反向電流和低壓降。

米勒效應的終結

SiC共源共柵拓撲解決了米勒電容問題，且同時實現了簡單的柵極驅動、常關運行和高性能體二極管。這與SiC MOSFET不同，在SiC MOSFET中，體二極管特征差，甚至與GaN HEMT也不同，后者有高CDS。

物理特征的不變性導致熱離子器件中產生限制高頻增益的米勒效應，這也適用于半導體器件。不過，這種不變性也意味著基于共源共柵的問題解決方案在現代化的SiC器件中與在老式管中同樣適用。似乎改變越多，不變的也越多。

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