KA_IX

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什么是米勒电容?如何理解米勒效应

2021-1-22 15:44:16 显示全部楼层
一、认识米勒电容
如图,MOS管内部有寄生电容Cgs,Cgd,Cds。因为寄生电容的存在,所以给栅极电压的过程就是给电容充电的过程。

其中:
输入电容Ciss=Cgs+Cgd,
输出电容Coss=Cgd+Cds,
反向传输电容Crss=Cgd,也叫米勒电容。

然而,这三个等效电容是构成串并联组合关系,它们并不是独立的,而是相互影响,其中一个关键电容就是米勒电容Cgd。这个电容不是恒定的,它随着栅极和漏极间电压变化而迅速变化,同时会影响栅极和源极电容的充电。

二、理解米勒效应
米勒效应是指MOS管g、d的极间电容Crss在开关动作期间引起的瞬态效应。

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。

三、MOS管的开通过程

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。

  1. MOS管为什么会有饱和区特性的一个解释


  2. MOS有饱和区特性这件事据说Tsividis用河流与大坝模型来解释。这里我想用一个半物理半形象的模型来解释一下。

  3. 首先回顾一下电流是怎样形成的,这有利于我们下面的分析。半导体中载流子运动方式一种是漂移,主要是多子在电场影响下移动。另一种是扩散,主要是少子在浓度影响下移动。Mos是多子器件,因此以漂移为主。我们就忽略扩散效应。当以漂移为主时,电流就等于截面积的电荷Q乘以迁移率u再乘以电场强度E。

  4. 如果是普通导体,各个截面积的电荷不同,但是电流是连续的,也就意味者各处电场强度不同。但是电场强度沿电流方向的积分就是电势。从这个就可以推导出电阻串联的公式。电压在电阻高的地方分配的多,电阻低的地方分配的少以保证电流的连续性。

  5. MOS的特性有些特殊。他的电荷与该处的电势有关系(因为在正常工作时,主要都是反型层电荷)。当VGS大于VTH,VDS等于0时,沟道电势完全相等,各处的反型层电荷也完全一样多。这是一个非常好的均匀电阻。此时可以等效算出一个等效电阻。但是如果维持VGS不变,当VDS轻微增加δV时,可以想象的到,由于源端的电势不变,因此源端的电荷基本不变;漏端的电位增加,漏端电荷开始减少。相应的,漏端等效电阻变大,电场强度也大一些。对整个沟道而言,电流也会增加,但是在源端来看,他得到的电场强度增加量比平均分配的要少一些,意味者此时的动态电阻比VDS为0时要大一些。所以I-VDS曲线不会是沿着直线变化,而是逐渐向下偏离。

  6. 当VDS逐步增加时,总有一天会导致漏端的电荷为0。当这个时刻到来时,再增加δV,压降就会全部落在漏端这一点上,而源端到漏端的电荷与电场强度再也不发生变化,这就是VDSAT点。在这点动态电阻开始变为无穷大,电流不再变化,MOS管从线性区进入饱和区。

  7. 如果我们假定当VDS=VGS-VTH时,载流子浓度突变为0,那么这就意味者夹断区域(载流子为0的区域)长度为无穷小,饱和区输出阻抗为无穷大。这是由于如果夹断区域不是无穷小,那么夹断区是绝缘的,一个绝缘材料串联一个导体会使得电流为0。但实际并没有这种无穷小存在。在前面的推导中,载流子浓度突变为0来自于耗尽层近似,同时忽略了少子扩散。当考虑到以上两个效应后,可以知道在这个区域载流子浓度非常小,但不是0,增加的压降仍然会落在这个区域,但是这个区域长度非常小,电势差近似为vdsat,因此场强非常大,并且会随着VDS增加而变化,输出阻抗也不见得是无穷大。

  8. 这就解释了为什么MOS会有饱和区特性。同时从上面的描述可以看出,在夹断区域载流子浓度不是0,我们也无需讨论为什么夹断了,电流还能流过这个区域。另一方面,在传统的推导中,会出现当VDS大于VDSAT,电流下降的曲线。然后书中直接说在VDSAT点取极值得到分区模型。其实这是由于在推导使用的电荷公式只适合反型区域。当变为耗尽区时,公式会推导出负的载流子浓度从而导致错误。

  9. 前面的讨论不是很严格,有很多隐含的假设前提。但是基本的大框架还是物理的。所以可以作为一个简化模型形象理解公式推导。如果想进一步严格的用公式推导,可以参考《用于VLSI模拟的小尺寸MOS器件模型》这个书。该书中作者就从最基本的前提出发,列出公式,然后使用一步步简化假设求解公式,从而得到了不同的器件模型。我们也很容易从这个过程中看出,是哪个假设导致了简化模型的差异。
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。

四、米勒效应能避免吗?
由上面的分析可以看出米勒平台是有害的,造成开启延时,导致损耗严重。但因为MOS管的制造工艺,一定会产生Cgd,也就是米勒电容一定会存在,所以米勒效应不能避免。

目前减小 MOS 管米勒效应的措施如下:

1. 提高驱动电压或者减小驱动电阻,目的是增大驱动电流,快速充电。但是可能因为寄生电感带来震荡问题;

2.ZVS 零电压开关技术是可以消除米勒效应的,即在 Vds 为 0 时开启沟道,在大功率应用时较多。

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