米勒效应对MOSFET的危害

前言

对于MOSFET，米勒效应（Miller Effect）指其输入输出之间的分布电容（栅漏电容）在反相放大作用下，使得等效输入电容值放大的效应。由于米勒效应，MOSFET栅极驱动过程中，会形成平台电压，引起开关时间变长，开关损耗增加，给MOS管的正常工作带来非常不利的影响。

Number 01 .  理解米勒效应

可以看成是一个电容的负反馈。在驱动前，Crss上是高电压，当驱动波形上升到阈值电压时，MOS管导通，d极电压急剧下降，通过Crss拉低g脚驱动电压，如果驱动功率不足，将在驱动波形的上升沿阈值电压附近留下一个阶梯，如下图。

有时甚至会有一个下降尖峰趋势平台，而这个平台增加了MOS管的导通时间，造成了我们通常所说的导通损耗。

Number 02 .  MOSFET结构及寄生电容的分布

MOSFET结构

图1：垂直型MOSFET结构  

图1是垂直型MOSFET的结构，它是一个由P区域和 N+ 的源区组成的双扩散结构。漏极（drain）和源极（source）分别放在晶圆的两面，这样的结构适合制造大功率器件。因为可以通过增加外延层（epitaxial layer）的长度，来增加漏源极之间的电流等级，提高器件的击穿电压能力。另外从图中，还可以清晰看出MOSFET的寄生体二极管。

寄生电容

图2. MOSFET的寄生电容及等效电路

MOSFET的寄生电容主要包括栅源电容（Cgs）、栅漏电容（Cgd）以及漏源电容（Cds）。从图2中左图看到，Cds是由漏极和源极之间的结电容形成，Cgd栅极和漏极间的耦合电容。Cgs则较为复杂，由栅极和源极金属电极之间的电容Co、栅极和 N+ 源极扩散区的电容 CN+ ，以及栅极和扩散区P区的电容Cp组成。

一般器件的手册中，都会以下列形式给出MOSFET的寄生电容，

输入电容：   Ciss=Cgd+Cgs 输出电容：   Coss=Cgd+Cds 反向传输电容： Crss=Cgd   Number 03 .  MOSFET的开通过程

①t0—t1阶段

这个过程中，驱动电流ig为Cgs充电，Vgs上升，Vds和Id保持不变。一直到t1时刻，Vgs上升到阈值开启电压Vg(th)。在t1时刻以前，MOS处于截止区。

②t1—t2阶段

t1时刻，MOS管就要开始导通了，也就标志着Id要开始上升了。这个时间段内驱动电流仍然是为Cgs充电，Id逐渐上升，在上升的过程中Vds会稍微有一些下降，这是因为下降的di/dt在杂散电感上面形成一些压降。

从t1时刻开始，MOS进入了饱和区。在饱和有转移特性：Id=Vgs*Gm。其中Gm是跨导，只要Id不变Vgs就不变。Id在上升到最大值以后，而此时又处于饱和区，所以Vgs就会维持不变。

③t2—t3阶段

从t2时刻开始，进入米勒平台时期，米勒平台就是Vgs在一段时间几乎维持不动的一个平台。此时漏电流Id最大。且Vgs的驱动电流转移给Cgd充电，Vgs出现了米勒平台，Vgs电压维持不变，然后Vds就开始下降了。

④t3~t4阶段

当米勒电容Cgd充满电时，Vgs电压继续上升，直至MOS管完全导通。

以上是MOS管开通的四个过程。

所以在米勒平台，是Cgd充电的过程，这时候Vgs变化很小，当Cgd和Cgs处在同等水平时，Vgs才开始继续上升。

Number 04 .  米勒效应对MOSFET开关过程的影响

下面以图4中电机控制电路来说明米勒效应对MOSFET开通关断过程的影响。在图10控制电路中，上管导通时，VDD通过Q1、Q4对电机进行励磁；上管关断时，电机通过Q4、Q3进行去磁。在整个工作过程中，Q4一直保持开通，Q1, Q2交替开通来对电机转子进行励磁和去磁。

图4. 电机控制电路

图5，图6是上下管开通关断时驱动电压测试波形。可以清楚的看到，在上管开通和关断时，下管栅极上会产生一个尖峰，尖峰的电压增加了上下管同时导通的风险，严重时会造成非常大的电流同时流过上下管，损坏器件。

图5. 上管开通下管关断时的测试波形

图6. 上管关断上管开通时的测试波形

下管开通关断出现的这种波形是由漏栅电容导致的寄生开通现象。在下管关断后，上管米勒平台结束时，桥臂中点电压由0升到VDD，MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此在漏栅电容产生的电流会流到栅极，经栅极电阻到地，这样就会在栅极电阻上产生的电压降。这种情况，就会可能发生上下管同时导通，损坏器件。

下管的这个Vgs尖峰电压（也有公司称之为Vgs bouncing）可以表达为：

Rgoff驱动关断电阻，Rg,ls(int)为MOSFET栅极固有电阻，Rdrv为驱动IC的电阻。从公式（1）可以看到，该电压与Rgtot和Cgd呈正向相关。

所以解决这个问题有两类方法：

1. 减小Rgtot。由公式（2）知道，Rg,ls(int)由器件本身决定，Rdrv由驱动IC决定，所以一般是选择合适的Rg来平衡该Vgs bouncing电压。

2. 选择Crss/Ciss（即Cgd/Cgs）低的MOSFET有助于降低Vgs尖峰电压值。或者在MOSFET栅源之间并上一个电容，也会吸收dV/dt产生的漏删电流。图7是在下管的GS两端并联5.5nF电容后的开关波形，可以看到电压明显降低，由图5中的3.1V降低到1.7V，大大降低了上下管贯通的风险。

同理，上管关断至米勒平台结束时，下管开通前，桥臂中点电压由VDD降为0，MOSFET的源极和漏极之间产生陡峭的的dV/dt。由此就会在栅极上面产生一个负压。

同时，由图5，图6，可以观察到，下管开通关断过程中，都没有出现米勒平台现象。这是因为在其开通关断时，由于Motor中的电流经过下管的体二极管续流，DS两端电压很小，所以米勒平台也就形成不了了。

审核编辑：汤梓红