前言

【資料圖】

對于MOSFET，米勒效應（Miller Effect）指其輸入輸出之間的分布電容（柵漏電容）在反相放大作用下，使得等效輸入電容值放大的效應。由于米勒效應，MOSFET柵極驅動過程中，會形成平臺電壓，引起開關時間變長，開關損耗增加，給MOS管的正常工作帶來非常不利的影響。

Number01.理解米勒效應

可以看成是一個電容的負反饋。在驅動前，Crss上是高電壓，當驅動波形上升到閾值電壓時，MOS管導通，d極電壓急劇下降，通過Crss拉低g腳驅動電壓，如果驅動功率不足，將在驅動波形的上升沿閾值電壓附近留下一個階梯，如下圖。

有時甚至會有一個下降尖峰趨勢平臺，而這個平臺增加了MOS管的導通時間，造成了我們通常所說的導通損耗。

Number02.MOSFET結構及寄生電容的分布

MOSFET結構

圖1：垂直型MOSFET結構

圖1是垂直型MOSFET的結構，它是一個由P區域和 N+的源區組成的雙擴散結構。漏極（drain）和源極（source）分別放在晶圓的兩面，這樣的結構適合制造大功率器件。因為可以通過增加外延層（epitaxial layer）的長度，來增加漏源極之間的電流等級，提高器件的擊穿電壓能力。另外從圖中，還可以清晰看出MOSFET的寄生體二極管。

寄生電容

圖2. MOSFET的寄生電容及等效電路

MOSFET的寄生電容主要包括柵源電容（Cgs）、柵漏電容（Cgd）以及漏源電容（Cds）。從圖2中左圖看到，Cds是由漏極和源極之間的結電容形成，Cgd柵極和漏極間的耦合電容。Cgs則較為復雜，由柵極和源極金屬電極之間的電容Co、柵極和 N+ 源極擴散區的電容 CN+ ，以及柵極和擴散區P區的電容Cp組成。

一般器件的手冊中，都會以下列形式給出MOSFET的寄生電容，

輸入電容： Ciss=Cgd+Cgs輸出電容： Coss=Cgd+Cds反向傳輸電容：Crss=CgdNumber03.MOSFET的開通過程

①t0—t1階段

這個過程中，驅動電流ig為Cgs充電，Vgs上升，Vds和Id保持不變。一直到t1時刻，Vgs上升到閾值開啟電壓Vg(th)。在t1時刻以前，MOS處于截止區。

②t1—t2階段

t1時刻，MOS管就要開始導通了，也就標志著Id要開始上升了。這個時間段內驅動電流仍然是為Cgs充電，Id逐漸上升，在上升的過程中Vds會稍微有一些下降，這是因為下降的di/dt在雜散電感上面形成一些壓降。

從t1時刻開始，MOS進入了飽和區。在飽和有轉移特性：Id=Vgs*Gm。其中Gm是跨導，只要Id不變Vgs就不變。Id在上升到最大值以后，而此時又處于飽和區，所以Vgs就會維持不變。

③t2—t3階段

從t2時刻開始，進入米勒平臺時期，米勒平臺就是Vgs在一段時間幾乎維持不動的一個平臺。此時漏電流Id最大。且Vgs的驅動電流轉移給Cgd充電，Vgs出現了米勒平臺，Vgs電壓維持不變，然后Vds就開始下降了。

④t3~t4階段

當米勒電容Cgd充滿電時，Vgs電壓繼續上升，直至MOS管完全導通。

以上是MOS管開通的四個過程。

所以在米勒平臺，是Cgd充電的過程，這時候Vgs變化很小，當Cgd和Cgs處在同等水平時，Vgs才開始繼續上升。

Number04.米勒效應對MOSFET開關過程的影響

下面以圖4中電機控制電路來說明米勒效應對MOSFET開通關斷過程的影響。在圖10控制電路中，上管導通時，VDD通過Q1、Q4對電機進行勵磁；上管關斷時，電機通過Q4、Q3進行去磁。在整個工作過程中，Q4一直保持開通，Q1, Q2交替開通來對電機轉子進行勵磁和去磁。

圖4. 電機控制電路

圖5，圖6是上下管開通關斷時驅動電壓測試波形。可以清楚的看到，在上管開通和關斷時，下管柵極上會產生一個尖峰，尖峰的電壓增加了上下管同時導通的風險，嚴重時會造成非常大的電流同時流過上下管，損壞器件。

圖5. 上管開通下管關斷時的測試波形

圖6. 上管關斷上管開通時的測試波形

下管開通關斷出現的這種波形是由漏柵電容導致的寄生開通現象。在下管關斷后，上管米勒平臺結束時，橋臂中點電壓由0升到VDD，MOSFET的源極和漏極之間產生陡峭的的dV/dt。由此在漏柵電容產生的電流會流到柵極，經柵極電阻到地，這樣就會在柵極電阻上產生的電壓降。這種情況，就會可能發生上下管同時導通，損壞器件。

下管的這個Vgs尖峰電壓（也有公司稱之為Vgs bouncing）可以表達為：

Rgoff驅動關斷電阻，Rg,ls(int)為MOSFET柵極固有電阻，Rdrv為驅動IC的電阻。從公式（1）可以看到，該電壓與Rgtot和Cgd呈正向相關。

所以解決這個問題有兩類方法：

1. 減小Rgtot。由公式（2）知道，Rg,ls(int)由器件本身決定，Rdrv由驅動IC決定，所以一般是選擇合適的Rg來平衡該Vgs bouncing電壓。

2. 選擇Crss/Ciss（即Cgd/Cgs）低的MOSFET有助于降低Vgs尖峰電壓值。或者在MOSFET柵源之間并上一個電容，也會吸收dV/dt產生的漏刪電流。圖7是在下管的GS兩端并聯5.5nF電容后的開關波形，可以看到電壓明顯降低，由圖5中的3.1V降低到1.7V，大大降低了上下管貫通的風險。

同理，上管關斷至米勒平臺結束時，下管開通前，橋臂中點電壓由VDD降為0，MOSFET的源極和漏極之間產生陡峭的的dV/dt。由此就會在柵極上面產生一個負壓。

同時，由圖5，圖6，可以觀察到，下管開通關斷過程中，都沒有出現米勒平臺現象。這是因為在其開通關斷時，由于Motor中的電流經過下管的體二極管續流，DS兩端電壓很小，所以米勒平臺也就形成不了了。

審核編輯：湯梓紅