MOS管,MOS管米勒效应

米勒效应概述

米勒效应（Miller effect）是在电子学中，反相放大(da)电路(lu)中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大(da)器的放大(da)作用，其(qi)等(deng)效到输入端的电容值会(hui)扩大(da)1+K倍，其(qi)中K是该(gai)级放大(da)电路(lu)电压放大(da)倍数(shu)。

虽然一般密(mi)勒效(xiao)应指的是(shi)(shi)电(dian)容的放大(da)，但是(shi)(shi)任何输(shu)入与其它高放大(da)节之(zhi)间的阻抗(kang)也能够通过密(mi)勒效(xiao)应改(gai)变放大(da)器的输(shu)入阻抗(kang)。

米勒效应的应用

米勒(le)效应在电子电路(lu)中，应用(yong)很(hen)广泛

（1）密勒积分(fen)

在集成(cheng)运(yun)算(suan)放大(da)器开环增(zeng)益A很高的(de)情况下，展宽积分线性范围，提(ti)高运(yun)算(suan)精度，获得了(le)广泛(fan)的(de)运(yun)用(yong)。

（2）用米勒电(dian)容(rong)补偿，消除自激反应(ying)

由(you)于米勒(le)电容(rong)补(bu)偿后的(de)频率响应，是一种(zhong)在0dB带宽不受损失的(de)情(qing)况下, 使集成运算放大器没有产(chan)生自激可能品质优良的(de)“完全(quan)补(bu)偿‘。同(tong)时，密勒效应使小补(bu)(bu)偿(chang)(chang)(chang)电容可(ke)以制作在基(ji)片上，从而实(shi)现了(le)没有外接(jie)补(bu)(bu)偿(chang)(chang)(chang)元件(jian)的(de)所谓(wei)“ 内藏补(bu)(bu)偿(chang)(chang)(chang)” 。

MOS管米勒效应平台形成的基本原理

MOSFET的(de)(de)栅(zha)(zha)极驱(qu)(qu)动过程，可(ke)以(yi)简单的(de)(de)理解为驱(qu)(qu)动源对MOSFET的(de)(de)输入电(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)（主(zhu)要(yao)是栅(zha)(zha)源极电(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)Cgs）的(de)(de)充放(fang)电(dian)(dian)过程；当Cgs达到门槛电(dian)(dian)压之后(hou)， MOSFET就会进入开通(tong)(tong)状态；当MOSFET开通(tong)(tong)后(hou)，Vds开始下降，Id开始上(shang)升(sheng)，此(ci)(ci)时(shi)MOSFET进入饱和区；但(dan)由(you)于(yu)米(mi)(mi)勒(le)效应(ying)，Vgs会持续一(yi)段(duan)时(shi)间不(bu)再(zai)上(shang)升(sheng)，此(ci)(ci)时(shi)Id已经达到最大，而Vds还(hai)在继(ji)续下降，直到米(mi)(mi)勒(le)电(dian)(dian)容(rong)(rong)(rong)充满电(dian)(dian)，Vgs又上(shang)升(sheng)到驱(qu)(qu)动电(dian)(dian)压的(de)(de)值，此(ci)(ci)时(shi)MOSFET进入电(dian)(dian)阻(zu)区，此(ci)(ci)时(shi)Vds彻底降下来，开通(tong)(tong)结束(shu)。

由(you)于(yu)米勒电容阻(zu)止了Vgs的上升，从(cong)(cong)而(er)也(ye)就(jiu)阻(zu)止了Vds的下(xia)(xia)降，这(zhei)样(yang)就(jiu)会使损(sun)耗的时间(jian)加长。（Vgs上升，则导通电阻(zu)下(xia)(xia)降，从(cong)(cong)而(er)Vds下(xia)(xia)降）

米(mi)勒效(xiao)应在MOS驱动中臭(chou)名(ming)昭著，他是由MOS管(guan)的(de)米(mi)勒电(dian)(dian)容(rong)引发的(de)米(mi)勒效(xiao)应，在MOS管(guan)开(kai)(kai)通(tong)过(guo)程中，GS电(dian)(dian)压上升到(dao)某一(yi)(yi)电(dian)(dian)压值(zhi)后(hou)GS电(dian)(dian)压有一(yi)(yi)段稳定值(zhi)，过(guo)后(hou)GS电(dian)(dian)压又开(kai)(kai)始上升直至(zhi)完全(quan)导(dao)通(tong)。为什么(me)会(hui)有稳定值(zhi)这段呢？因为，在MOS开(kai)(kai)通(tong)前，D极(ji)(ji)电(dian)(dian)压大于G极(ji)(ji)电(dian)(dian)压，MOS寄生电(dian)(dian)容(rong)Cgd储存的(de)电(dian)(dian)量(liang)需(xu)要(yao)在其(qi)导(dao)通(tong)时注(zhu)入(ru)G极(ji)(ji)与其(qi)中的(de)电(dian)(dian)荷中和，因MOS完全(quan)导(dao)通(tong)后(hou)G极(ji)(ji)电(dian)(dian)压大于D极(ji)(ji)电(dian)(dian)压。米(mi)勒效(xiao)应会(hui)严重增加MOS的(de)开(kai)(kai)通(tong)损耗。（MOS管(guan)不能(neng)很快得进入(ru)开(kai)(kai)关状态）

所(suo)以就出现了(le)所(suo)谓的图腾驱动！！选择MOS时，Cgd越小(xiao)开通损耗就越小(xiao)。米勒(le)效应不(bu)可能完全消(xiao)失(shi)。MOSFET中的(de)(de)米勒平(ping)台实际上就是MOSFET处于“放大区”的(de)(de)典型标志(zhi)。用(yong)用(yong)示波(bo)器测(ce)量GS电压(ya)，可(ke)以(yi)看到在电压(ya)上升过程中(zhong)有一个平台或凹坑，这就(jiu)是(shi)米勒(le)平台。

MOS管米勒效应形成的详细过程

米(mi)勒效应指在MOS管开通过(guo)程(cheng)会产生米(mi)勒平台，原理如下(xia)。

理论(lun)上驱动电路在(zai)G级(ji)和S级(ji)之间加足够大的电容可以消除米勒(le)效(xiao)应。但(dan)此时开关时间会拖的很(hen)长。一般推荐值加0.1Ciess的电容值是有好处(chu)的。

下图中(zhong)粗黑线中(zhong)那个平缓(huan)部分(fen)就是米勒平台。

删荷系数(shu)的(de)这张图 在第一个(ge)转折点处(chu)：Vds开始导(dao)通。Vds的(de)变化(hua)通过Cgd和驱动源的(de)内阻形成一个(ge)微分(fen)。因(yin)为(wei)Vds近似线(xian)性下降，线(xian)性的(de)微分(fen)是个(ge)常数(shu)，从而在Vgs处(chu)产生(sheng)一个(ge)平台。

米(mi)勒(le)平台是(shi)由于mos 的g d 两端(duan)的电容引起的，即(ji)mos  datasheet里的Crss 。

这个(ge)过程(cheng)是给Cgd充电，所以Vgs变(bian)化很小(xiao)，当Cgd充到Vgs水平的时候，Vgs才开始继续上升(sheng)。

Cgd在mos刚开通(tong)的(de)时候，通(tong)过(guo)mos快速放电，然后被驱动电压(ya)反(fan)向(xiang)充(chong)电，分担了驱动电流，使得(de)Cgs上的(de)电压(ya)上升变缓(huan)，出现平台。

t0~t1: Vgs from 0 to Vth.Mosfet没通.电流由(you)寄生二极管(guan)Df.

t1~t2: Vgs from Vth to Va. Id

t2~t3: Vds下降.引起(qi)电流(liu)继续通过Cgd. Vdd越(yue)高越(yue)需要的时间越(yue)长.

Ig 为驱动电流.

开始降的比(bi)较快(kuai).当Vdg接近为零时,Cgd增加.直到Vdg变(bian)负,Cgd增加到最大.下降变(bian)慢.

t3~t4: Mosfet 完全导通(tong),运行在电阻区.Vgs继续上升到Vgg.

平(ping)台(tai)后期，VGS继续增大，IDS是变(bian)化很小，那是因为MOS饱(bao)和了。。。，但是，从楼主(zhu)的图中，这个平(ping)台(tai)还是有一段长度的。

这个平台(tai)期(qi)间，可以(yi)认为是MOS 正(zheng)处在(zai)放(fang)大期(qi)。

前(qian)一(yi)个拐(guai)点前(qian)：MOS 截止期，此时(shi)Cgs充电，Vgs向Vth逼(bi)进。

前一个拐(guai)点处(chu)：MOS 正式进入放(fang)大(da)期(qi)

后一个拐点处：MOS 正式退出放大期(qi)，开始进入饱和(he)期(qi)。

当斜(xie)率为dt 的电压V施加到电容C上时(如驱动器的输出电压)，将会增大(da)电容内的电流(liu)：

I=C×dV/dt  （1）

因(yin)此，向MOSFET施加电(dian)压时，将产生输入电(dian)流Igate = I1 + I2，如下图(tu)所(suo)示。

在右(you)侧电(dian)压节点(dian)上利用式(1)，可得(de)到：

I

1=Cgd×d(Vgs-Vds)/dt=Cgd×(dVgs/dt-dVds/dt)     （2）

I2=Cgs×d(Vgs/dt)    （3）

如果在(zai)MOSFET上(shang)施(shi)加栅-源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)Vgs，其漏(lou)-源(yuan)电(dian)(dian)压(ya)Vds 就会下(xia)(xia)降(即(ji)使是(shi)呈非线性下(xia)(xia)降)。因(yin)此，可(ke)以(yi)将连(lian)接这(zhei)两个(ge)电(dian)(dian)压(ya)的负增(zeng)益定义(yi)为：

Av=- Vds/Vgs  （4）

将(jiang)式(4)代(dai)入(ru)式(2)中，可得(de)：

I1=Cgd×（1+Av）dVgs/dt   （5）

在转换(导通或关(guan)断)过程(cheng)中，栅-源极(ji)的总等效(xiao)电(dian)容Ceq为(wei)：

Igate=I1+I2=(Cgd×(1+Av)+Cgs)×dVgs/dt=Ceq×dVgs/dt   （6）

式(shi)中(1+Av)这一(yi)项被(bei)称作(zuo)米(mi)勒(le)效应(ying)，它(ta)描述了(le)电子器(qi)件(jian)中输出和(he)输入之间(jian)的电容反馈(kui)。当(dang)栅-漏电压接近于零时，将会(hui)产生米(mi)勒(le)效应(ying)。

Cds分流最厉害的阶(jie)段是(shi)在(zai)(zai)放大区。为啥？ 因为这(zhei)个阶(jie)段Vd变化最剧烈。平台恰恰是(shi)在(zai)(zai)这(zhei)个阶(jie)段形成。你可(ke)认为：门电(dian)流Igate完全被Cds吸走，而(er)没有电(dian)流流向Cgs。

注意(yi)数据手册中的表示方(fang)法

Ciss=Cgs+Cgd

Coss=Cds+Cgd

Crss=Cgd

如何消除MOS管米勒效应

设计电(dian)(dian)源时(shi)，工程师(shi)常常会(hui)关(guan)注与MOSFET导通损耗有关(guan)的效率下降问(wen)题(ti)(ti)。在出现较(jiao)大RMS电(dian)(dian)流的情况下, 比如转(zhuan)换器在非连(lian)续导电(dian)(dian)模式(shi)(DCM)下工作(zuo)时(shi)，若选择Rds(on)较(jiao)小(xiao)的MOSFET，芯片尺寸就(jiu)会(hui)较(jiao)大，从而输入电(dian)(dian)容也(ye)较(jiao)大。也(ye)就(jiu)是说，导通损耗的减小(xiao)将(jiang)会(hui)造成较(jiao)大的输入电(dian)(dian)容和(he)控制器较(jiao)大的功耗。当开关(guan)频率提(ti)高时(shi)，问(wen)题(ti)(ti)将(jiang)变得更为棘手。

图1 MOSFET导通和关(guan)断时的典型栅(zha)电(dian)流

图2 MOSFET中的寄生电(dian)容

图3 典型MOSFET的栅电荷(he)

图4 基于专用控制器(qi)的简单QR转换器(qi)

图5 ZVS技术消除米勒效应

MOSFET导通(tong)和关断(duan)时(shi)的(de)(de)典型栅电(dian)流(liu)如(ru)图(tu)1所示。在导通(tong)期(qi)间(jian)，流(liu)经控制器Vcc引脚的(de)(de)峰值(zhi)电(dian)流(liu)对Vcc充电(dian)；在关断(duan)期(qi)间(jian)，存储的(de)(de)电(dian)流(liu)流(liu)向芯片的(de)(de)接(jie)地端(duan)。如(ru)果在相应的(de)(de)面积上积分，即进行篿gate(t)dt，则可得到驱动晶(jing)体管的(de)(de)栅电(dian)荷Qg 。将其乘以开关频率Fsw，就可得到由控制器Vcc提供(gong)的(de)(de)平均电(dian)流(liu)。因此，控制器上的(de)(de)总(zong)开关功(gong)率(击穿(chuan)损耗不计)为：

Pdrv = Fsw×Qg×Vcc

如果(guo)使(shi)用开关(guan)速度为100kHz 的(de)(de)(de)12V控制(zhi)器驱动栅电荷为100nC的(de)(de)(de)MOSFET，驱动器的(de)(de)(de)功耗即为100nC×100kHz×12V=10mA×12V=120mW。

MOSFET的(de)物理(li)结构中(zhong)有多(duo)种寄(ji)生单元，其中(zhong)电容的(de)作用十分关键，如图2所示。产品数据(ju)表中(zhong)的(de)三个(ge)参(can)数采取(qu)如下定义：当源(yuan)-漏极短路(lu)时，令Ciss = Cgs + Cgd；当栅(zha)-源(yuan)极短路(lu)时，令Coss = Cds +? Cgd；Crss = Cgd。

驱(qu)动(dong)器实际为(wei)栅-源极连接。当斜(xie)率(lv)为(wei)dt 的(de)电(dian)压V施加(jia)到(dao)电(dian)容(rong)C上时(如驱(qu)动(dong)器的(de)输出(chu)电(dian)压)，将会增大电(dian)容(rong)内的(de)电(dian)流：

I=C×dV/dt

(2)

因此，向MOSFET施加电(dian)压时，将产生(sheng)输入电(dian)流Igate = I1 + I2，如图(tu)2所(suo)示(shi)。在右侧电(dian)压节点(dian)上利用(yong)式(2)，可得到：

I1=Cgd×d(Vgs-Vds)/dt=Cgd×(dVgs/dt-dVds/dt)

(3)I2=Cgs×d(Vgs/dt)

（7）式中(zhong)(1-Av)这一项被称作米勒(le)效应(ying)(ying)，它描述(shu)了电(dian)(dian)子器(qi)件(jian)中(zhong)输出和输入之间(jian)的电(dian)(dian)容(rong)反(fan)馈(kui)。当(dang)栅(zha)(zha)(zha)-漏(lou)电(dian)(dian)压(ya)(ya)接近于(yu)(yu)零(ling)时，将会产生米勒(le)效应(ying)(ying)。典型功率MOSFET的栅(zha)(zha)(zha)电(dian)(dian)荷如图(tu)3所示，该图(tu)通过用恒定(ding)电(dian)(dian)流(liu)(liu)对栅(zha)(zha)(zha)极充电(dian)(dian)并对栅(zha)(zha)(zha)-源电(dian)(dian)压(ya)(ya)进(jin)行观察而(er)得。根(gen)据式(6)，当(dang)Ciss突然增大时，电(dian)(dian)流(liu)(liu)持续流(liu)(liu)过。但由于(yu)(yu)电(dian)(dian)容(rong)急剧增加，而(er)相应(ying)(ying)的电(dian)(dian)压(ya)(ya)升高dVgs却严重受限，因此电(dian)(dian)压(ya)(ya)斜率几乎为零(ling)，如图(tu)3中(zhong)的平坦区域所示。

图(tu)3也显(xian)示出降低在转换(huan)期间Vds(t)开始下降时(shi)的(de)点(dian)的(de)位置，有助于(yu)减少平坦区域(yu)效(xiao)应。Vds=100V时(shi)的(de)平坦区域(yu)宽(kuan)度要比Vds=400V时(shi)窄，曲线下方的(de)面(mian)积也随之减小。因此，如果能在Vds等(deng)于(yu)零时(shi)将MOSFET导(dao)通，即(ji)利(li)用ZVS技术，就不会产生(sheng)米勒效(xiao)应。

在准谐振模式(QR)中(zhong)采用反(fan)激转(zhuan)(zhuan)换器是消除米勒(le)效应较经济的(de)(de)方法, 它无需在下一个(ge)时钟(zhong)周(zhou)期(qi)内(nei)使开关(guan)(guan)处(chu)于(yu)(yu)(yu)导通状态，只(zhi)要(yao)等漏(lou)极上的(de)(de)自然(ran)振荡将电(dian)压逐渐(jian)降(jiang)至接(jie)近于(yu)(yu)(yu)零(ling)。与此同时，通过(guo)专用引脚(jiao)可(ke)以(yi)检(jian)测到控制(zhi)器再次启(qi)动了晶体管。通过(guo)在开关(guan)(guan)打开处(chu)反(fan)射的(de)(de)足够的(de)(de)反(fan)激电(dian)压(N×[Vout+Vf])，即可(ke)实现ZVS操作，这通常需要(yao)800V(通用范围)的(de)(de)高(gao)压MOSFET。基于(yu)(yu)(yu)安(an)森美(mei)的(de)(de)NCP1207的(de)(de)QR转(zhuan)(zhuan)换器如(ru)图(tu)4所示，它可(ke)以(yi)直接(jie)使用高(gao)压电(dian)源(yuan)供电(dian)。该(gai)转(zhuan)(zhuan)换器在ZVS下工作时的(de)(de)栅-源(yuan)电(dian)压和漏(lou)极波形如(ru)图(tu)5所示。

总(zong)之(zhi)，如果需要Qg较大的MOSFET，最好使(shi)反激转(zhuan)换器在ZVS下工作，这(zhei)样可以减(jian)少(shao)平均驱动电流带(dai)来的不利影响。这(zhei)一技(ji)术也广泛应用于谐振转(zhuan)换器中(zhong)。

联系方(fang)式：邹先生(sheng)

联系电话：0755-83888366-8022

手(shou)机：18123972950

QQ：2880195519

联系地址：深圳市福(fu)田区车公庙天(tian)安(an)数码城天(tian)吉大厦CD座5C1

请搜微信公(gong)众(zhong)号:“KIA半导体”或扫(sao)一扫(sao)下(xia)图“关注”官(guan)方微信公(gong)众(zhong)号

请“关注”官方微信公众(zhong)号:提供 MOS管 技术帮助