浅谈MOSFET中的米勒效应

引言

本文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（Miller Effect)

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。

MOSFET中米勒效应分析

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 。（NOTE：在漏极电流 IDSI_{DS} 未到负载电流 IDI_{D} 时，一部分的负载电流（ IDS−IDI_{DS}-I_{D} ）流过二极管D，二极管导通MOSFET的漏极电压 VDSV_{DS} 被VDD钳位，保持不变，驱动电流只给 CGSC_{GS} 充电， VGSV_{GS} 电压升高。一旦 IDSI_{DS} 达到负载电流 IDI_{D} , 二极管D反向截止，MOSFET的漏极电压 VDSV_{DS} 开始下降，驱动电流全部转移给 CGDC_{GD} 充电，VGSV_{GS} 也就保持米勒平台电压不变。）

在t2-t3 时间内， VGSV_{GS} 一直处于平台电压， VDSV_{DS} 开始下降至正向导通电压VF。

在t3-t4 时间后， VGSV_{GS}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，CrssC_{rss} 就是我们所说的 CGDC_{GD} 。

一般在MOSFET 关闭状态下， CGSC_{GS}比CGDC_{GD} 要大很多。以IRFL4310 为例，

IRFL4310中， Ciss=CGS+CGD=330pFCiss=C_{GS}+C_{GD}=330pF , Crss=CGD=54pFCrss=C_{GD}=54pF , 则， CGS=Ciss−CGD=276pFC_{GS}=Ciss-C_{GD}=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， QGSQ_{GS}被定义为原点与 Miller Plateau ( VGPV_{GP}) 起点之间的电荷值 ; QGDQ_{GD}被定义为从 VGPV_{GP} 到效应平台末端之间的电荷值； QGQ_{G}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 VGSV_{GS}

与装置的实际栅极电压值相等。

参考文献

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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