淺談MOSFET中的米勒效應

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引言

本文介紹了米勒效應的由來，並詳細分析了MOSFET開關過程米勒效應的影響，幫助定性理解米勒平台的形成機制。最後給出了場效應管柵極電荷的作用。

什麼是米勒效應（Miller Effect)

假設一個增益為-Av 的理想反向電壓放大器

在放大器的輸出和輸入端之間連接一個阻值為Z 的阻抗。容易得到，

把阻抗Z 替換為容值為C 的電容，

由此可見，反向電壓放大器增加了電路的輸入電容，並且放大係數為（1+Av）。

這個效應最早由John Milton Miller 發現，稱為米勒效應。

MOSFET中米勒效應分析

MOSFET中柵-漏間電容，構成輸入（GS）輸出（DS）的反饋迴路，MOSFET中的米勒效應就形成了。

在t0-t1 時間內，VGS上升到MOSFET 的閾值電壓VG(TH)。

在t1-t2時間內，VGS繼續上升到米勒平台電壓，漏極電流ID 從0 上升到負載電流。（NOTE：在漏極電流 $I_{DS}$ 未到負載電流 $I_{D}$ 時，一部分的負載電流（ $I_{DS}-I_{D}$ ）流過二極體D，二極體導通MOSFET的漏極電壓 $V_{DS}$ 被VDD鉗位，保持不變，驅動電流只給 $C_{GS}$ 充電， $V_{GS}$ 電壓升高。一旦 $I_{DS}$ 達到負載電流 $I_{D}$ , 二極體D反向截止，MOSFET的漏極電壓 $V_{DS}$ 開始下降，驅動電流全部轉移給 $C_{GD}$ 充電， $V_{GS}$ 也就保持米勒平台電壓不變。）

在t2-t3 時間內， $V_{GS}$ 一直處於平台電壓， $V_{DS}$ 開始下降至正嚮導通電壓VF。

在t3-t4 時間後， $V_{GS}$ 繼續上升。

柵極電荷

首先，我們看一下MOSFET 寄生電容的大體情況。在MOSFET 的DATASHEET

中，採用的定義方法如圖所示。需要注意的是， $C_{rss}$ 就是我們所說的 $C_{GD}$ 。

一般在MOSFET 關閉狀態下， $C_{GS}$ 比 $C_{GD}$ 要大很多。以IRFL4310 為例，

IRFL4310中， $Ciss=C_{GS}+C_{GD}=330pF$ , $Crss=C_{GD}=54pF$ , 則， $C_{GS}=Ciss-C_{GD}=276pF$ 。需要指出的是兩者的值都與電容兩端的電壓相關，這也就是為什麼在DATASHEET 中會標明測試的條件。

幾乎所有的MOSFET規格書中，會給出柵極電荷的參數。柵極電荷讓設計者很容易計算出驅動電路開啟MOSFET所需要的時，Q=I*t間。例如一個器件柵極電荷Qg為20nC，如果驅動電路提供1mA充電電流的話，需要20us來開通該器件；如果想要在20ns就開啟，則需要把驅動能力提高到1A。如果利用輸入電容的話，就沒有這麼方便的計算開關速度了。

下圖是柵極電荷波形， $Q_{GS}$ 被定義為原點與 Miller Plateau ( $V_{GP}$ ) 起點之間的電荷值 ; $Q_{GD}$ 被定義為從 $V_{GP}$ 到效應平台末端之間的電荷值； $Q_{G}$ 被定義為從原點到波曲線頂點之間的電壓，此時驅動電壓值 $V_{GS}$ 與裝置的實際柵極電壓值相等。

備註

柵極電荷波形圖

參考文獻

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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