MOSFET開關(guān)使用共源共柵拓撲消除米勒效應(yīng)詳解-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-03-09
以米勒效應(yīng)為例。在20世紀20年代，美國電子工程師約翰·彌爾頓·米勒發(fā)現(xiàn)簡單的真空三極管當作為放大器使用時，由于網(wǎng)格和陽極之間存在內(nèi)部電容，會出現(xiàn)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(lián)（如級聯(lián)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(fā)出帶有內(nèi)部簾柵的四極管后，這種內(nèi)部電容及其相關(guān)效應(yīng)會降低，從而可以構(gòu)建可以在數(shù)百兆赫下運行的單管放大器。
圖1：原始的聯(lián)級三極管或共源共柵電路
隨著設(shè)計師開始用固態(tài)半導(dǎo)體代替熱離子管，米勒效應(yīng)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(guān)電路中，米勒效應(yīng)限制了開關(guān)速度，因為驅(qū)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(yīng)會因柵極電壓而異。
例如，考慮增強模式的MOSFET開關(guān)，它在柵極電壓為0V時關(guān)閉。總的柵極輸入電容表現(xiàn)為一個網(wǎng)絡(luò)（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(lián)的CGD，且與關(guān)態(tài)相比跨CGD有負電壓。在從開到關(guān)再從關(guān)到開的開關(guān)過程中，輸入電容必須在這些條件之間交換。
圖2：關(guān)閉和打開時的MOSFET輸入電容相同
MOSFET柵極開關(guān)波形正向部分的平臺期（參見圖3）代表兩個輸入電容狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，因為驅(qū)動器突然必須努力工作，從而使開關(guān)轉(zhuǎn)換變慢。
為了加劇效應(yīng)，如漏極壓降，它會嘗試“推動”柵極負壓經(jīng)過CGD，與正的開態(tài)電壓命令相抗。當驅(qū)動MOSFET關(guān)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(shè)計師使用負的關(guān)態(tài)柵極電壓抵消這種效應(yīng)。這會轉(zhuǎn)而提高驅(qū)動?xùn)艠O所需的功率。
圖3：柵極驅(qū)動電壓的米勒電容“平臺”
器件的柵漏電容CGD會受到半導(dǎo)體器件的體系結(jié)構(gòu)的影響，因此會因橫向或縱向構(gòu)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(shè)計師想要使用碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）等材料構(gòu)建寬帶隙器件時。
有些物理規(guī)律是無法規(guī)避的：這些技術(shù)的開關(guān)速度仍受其米勒電容的限制，對抗米勒效應(yīng)的最佳方式是使用共源共柵電路拓撲。
基本的SiC開關(guān)使用結(jié)FET（JFET）結(jié)構(gòu)。如果JFET是作為垂直器件構(gòu)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(guān)閉。
這是橋電路中的問題，在該電路中，所有器件默認為開態(tài)，適用瞬時功率。使用常關(guān)型器件構(gòu)建此類電路會更好，該器件可以通過布置共源共柵拓撲結(jié)構(gòu)的Si MOSFET和SiC JFET（圖4）來實現(xiàn)。
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(xiàn)-10 V電壓，因此開關(guān)關(guān)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(chuàng)建所需的常關(guān)型器件，MOSFET柵極電壓為0V。
該拓撲還意味著串聯(lián)的輸入輸出電容包括CDS，以實現(xiàn)JFET，它的值接近于零，從而降低了米勒效應(yīng)，以及它對高頻增益的影響。
在開關(guān)時，Si MOSFET漏極電壓是JFET漏極電壓經(jīng)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(dǎo)通電阻，且柵極驅(qū)動更加容易。
還有一個優(yōu)勢，那就是低壓MOSFET的體二極管的前向壓降非常低，且恢復(fù)速度快。JFET沒有體二極管，因此當需要第三象限反向開關(guān)導(dǎo)電時，如在換流橋電路或同步整流中，MOSFET體二極管會導(dǎo)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(xiàn)反向電流和低壓降。
SiC共源共柵拓撲解決了米勒電容問題，且同時實現(xiàn)了簡單的柵極驅(qū)動、常關(guān)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(dǎo)致熱離子器件中產(chǎn)生限制高頻增益的米勒效應(yīng)，這也適用于半導(dǎo)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(xiàn)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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