功率MOFET的米勒效应

这篇文章聊聊功率MOSFET的米勒效应，

历史上，每代沟槽栅功率MOSFET产品都通过器件缩放（缩小元胞间距、提高元胞密度）实现了更低的比导通电阻，

但在更高开关速度的应用中，需要在低导通电阻&低寄生电容之间追求更优异的折中，

因为元胞密度的提升，也意味着寄生电容的增大，如果一味提升元胞密度，寄生电容的增大会使得开关损耗显著增加。

早期沟槽栅功率MOSFET主要考虑C_GS和C_GD，随着这二者的改善和应用场景的拓展，C_DS的优化也提上日程。

在低压功率电路中，C_GD尤其重要，因其代表了晶体管输出端和输入端之间的非线性反馈连接，

这里解释一下，啥叫非线性反馈连接（a nonlinear feedback connection between the transistor’s output and input terminals）？

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看这张图，沟槽栅功率MOSFET基本结构，

Gate和Drain之间，包括绿色的栅氧化层，蓝色的N外延和N衬底，

具体而言，C_GD包括两部分，栅氧化层电容与耗尽区电容，二者串联，

开关过程中，前者可视作不变，后者则会变化，进而引起器件C_GD发生改变。

对晶体管而言，输入回路为：驱动电路—栅极—源极，输出回路为：漏极—负载—源极，

因此，C_GD从物理上直接连接了输出端的Drain、输入端的Gate，可将其想象成一个跨接在输入输出之间的“电容型导线”，

问题在于C_GD并非恒定不变，它的大小取决于V_DS，

大概逻辑是：V_DS变化→耗尽区宽度变化→耗尽区电容变化→C_GD变化，

因此开关过程中，当V_DS迅速且剧烈变化时，C_GD的大小也在迅速且剧烈地变化，且C_GD会将V_DS的变化耦合到栅极回路，

之前多篇文章提到的SiC MOSFET动态可靠性，本质上正是这个原因，

高dV/dt工况，SiC MOSFET的终端可靠性

DRB应力下SiC MOSFET之Crss退化

大概逻辑是：开关过程中V_DS迅速且剧烈变化（dV_DS/dt很大）→产生位移电流I = C_GD*dV_DS/dt→位移电流带来的压降使栅氧or场氧薄弱处击穿。

在MOSFET混合π模型中，C_GD被称为反向传输电容（C_rss，反馈电容），

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如上，功率MOSFET基本结构，三种寄生电容均已标注，

为什么这几个电容对开关损耗有重要影响？

各位应该听过一个术语，米勒效应，

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看这张图，MOSFET开通过程，

V_GS逐渐增大，增至V_th时，沟道开启，对应T2时间段的开头，

整个T2时间段，C_GS充电，

T3时间段，V_GS曲线进入米勒平台期，C_GD放电，V_DS下降，此阶段V_DS与I_DS的乘积会导致器件产生明显损耗，

直到T4时间段，MOSFET才进入完全导通状态。

关断状态也会产生类似的过程，同样存在米勒平台效应，也会在此阶段产生损耗。

再追问，米勒效应只适用于MOSFET吗？

当然不是，

1920年，J. M. Miller在研究真空管放大器（vacuum tube amplifier）时，发现如下现象：

当一个电容连接在放大器的输出端和输入端之间（可能是寄生电容，也可能是外部电容），从输入端看进去，该电容的等效容值似乎比它本身的物理容值大得多，

产生该现象的前提是——放大器必须具备电压增益（输入电压的微小变化会引起输出电压的更大变化），

这个由电路结构（电容+电压增益）导致的、使输入等效电容增大的现象，被总结为一个普遍的电路原理——米勒效应。

因此，米勒效应适用于任何具备电压增益的器件，比如BJT、比如功率MOSFET，

开关工作过程中，功率MOSFET在导通、关断之间迅速切换，

当MOSFET短暂工作在饱和区时，I_DS基本不随V_DS变化，ΔV_DS/ΔV_GS很大（输出电压变化量/输入电压变化量很大），此时米勒效应显著，

即上图显示的米勒平台期，驱动电流几乎完全用于C_GD的充放电，高电压&大电流的叠加造成最主要的开关损耗。

对功率MOSFET而言，从栅源输入端看来，C_rss的等效容值为A_V*C_rss，A_V为特定偏置条件下的电压增益，

从这里可以得到另一个重要结论——功率MOSFET的开关损耗最好通过电荷而非电容来估算。

因为开关工作过程中，MOSFET在导通、关断之间迅速切换，

器件偏置条件不断发生变化，而C_rss和A_V均随电压变化，因此使用小信号电容值建模预测器件开关损耗不符实际，会产生较大的误差。

更准确的做法，是通过电荷计算开关损耗，

功率MOSFET在频率f下开关，栅极驱动损耗可表示为如上形式，

Q_GV_Gf，非常简洁，

基于电荷进行开关损耗计算，仅取决于起始、终止电压状态，而不必考虑过程中的无数偏置条件（想象高频开关过程中MOSFET的V_GS、V_DS变了多少次），

本质上，电荷是状态函数，无论路径多么复杂，从初态到末态需要的总电荷是确定的。

且由于测试过程中栅极电流恒定，Q_G= I_G*t，

仿真得到的曲线，横轴为时间，只消乘以I_G，便能将时间轴替换为电荷轴，从而根据米勒平台的宽度，直接估算出Q_GD大小，非常方便。

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