说说MOSFET中的米勒效应

工程师技术分享 Doris · 2023-05-19

引言

本文主要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？

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。

以下来自维基百科的解释：

米勒效应（Miller effect）是在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。虽然一般密勒效应指的是电容的放大，但是任何输入与其它高放大节之间的阻抗也能够通过密勒效应改变放大器的输入阻抗。

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。

（注：在漏极电流 IDS 未到负载电流 ID 时，一部分的负载电流（ IDS-ID ）流过二极管D，二极管导通MOSFET的漏极电压 VDS 被VDD钳位，保持不变，驱动电流只给 CGS 充电， VGS 电压升高。一旦 IDS 达到负载电流 ID , 二极管D反向截止，MOSFET的漏极电压 VDS 开始下降，驱动电流全部转移给 CGD 充电，VGS 也就保持米勒平台电压不变。）

在t2-t3 时间内， VGS 一直处于平台电压， VDS 开始下降至正向导通电压VF。

在t3-t4 时间后， VGS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，Crss 就是我们所说的 CGD 。

一般在MOSFET 关闭状态下， CGS比CGD 要大很多。以IRFL4310 为例，

IRFL4310中， Ciss=CGS+CGD=330pF , Crss=CGD=54pF，则，CGS=Ciss-CGD=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， QGS被定义为原点与 Miller Plateau ( VGP) 起点之间的电荷值 ; QGD被定义为从 VGP 到效应平台末端之间的电荷值；QG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 VGS与装置的实际栅极电压值相等。
备注