在半导体开关中使用共源共栅拓扑消除米勒效应

judy — Tue, 22 Feb 2022 06:58:46 +0000

物理法则无法击败。电阻必然消耗电能，并产生热量和压降。电容器要消耗时间存储电荷，再花时间释放电荷。电感器要花时间制造电磁场并让其坍塌。我们对此无能为力，因此，自热离子管诞生之日起，电子产品设计师就学会了通过开发巧妙的电路拓扑来解决这些因素。事实表明，物理就是物理，过去对管适用的规则也同样适用于今天的高性能半导体。

米勒电容如何限制高频放大

以米勒效应为例。在20世纪20年代，美国电子工程师约翰·弥尔顿·米勒发现简单的真空三极管当作为放大器使用时，由于网格和阳极之间存在内部电容，会出现一个问题。这个电容通过在电容的阻抗随着不断升高的运行频率而降低时施加越来越高的负反馈，降低放大器的带宽。

米勒认识到，如图1所示将两个三极管串联（如级联型三极管或共源共栅拓扑）可能会降低从输入到输出的总电容。鉴于上管排电压固定，上三极管的阴极电压通过下三极管控制。当开发出带有内部帘栅的四极管后，这种内部电容及其相关效应会降低，从而可以构建可以在数百兆赫下运行的单管放大器。

图1：原始的联级三极管或共源共栅电路

米勒效应的回归

随着设计师开始用固态半导体代替热离子管，米勒效应也回归了，而这又一次开始限制高频运行。

为什么会这样？在基于MOSFET的开关电路中，米勒效应限制了开关速度，因为驱动电路必须以一种低损耗的可靠方式为输入电容充电和放电。这种米勒电容（即CGD）的效应会因栅极电压而异。

例如，考虑增强模式的MOSFET开关，它在栅极电压为0V时关闭。总的栅极输入电容表现为一个网络（请参见图2），包括CGS、CGD、CDS、负载ZL和散装电容CBULK。CGD两端还有正电压。当MOSFET打开时，漏电压降至接近零，总电容变成与CGS并联的CGD，且与关态相比跨CGD有负电压。在从开到关再从关到开的开关过程中，输入电容必须在这些条件之间交换。

图2：关闭和打开时的MOSFET输入电容相同

MOSFET栅极开关波形正向部分的平台期（参见图3）代表两个输入电容状态间的转换，因为驱动器突然必须努力工作，从而使开关转换变慢。为了加剧效应，如漏极压降，它会尝试“推动”栅极负压经过CGD，与正的开态电压命令相抗。当驱动MOSFET关闭时，此过程会反过来。CGD会尝试“拉动”栅极正压，这就是为什么鼓励处理MOSFET和IGBT的设计师使用负的关态栅极电压抵消这种效应。这会转而提高驱动栅极所需的功率。

图3：栅极驱动电压的米勒电容“平台”

控制栅漏电容

器件的栅漏电容CGD会受到半导体器件的体系结构的影响，因此会因横向或纵向构建而异。可以尽量降低CGD以获得低压MOSFET，但是在高压下它可以变成一个问题，尤其是当设计师想要使用碳化硅（SiC）或氮化镓（GaN）等材料构建宽带隙器件时。有些物理规律是无法规避的：这些技术的开关速度仍受其米勒电容的限制，对抗米勒效应的最佳方式是使用共源共栅电路拓扑。

现代化的共源共栅

基本的SiC开关使用结FET（JFET）结构。如果JFET是作为垂直器件构建的，其CGD可能达到有利的低点，而其漏源电容CDS还可以更低。但是，JFET是常开型器件，其栅极为0V，需要负的栅极电压才能关闭。这是桥电路中的问题，在该电路中，所有器件默认为开态，适用瞬时功率。使用常关型器件构建此类电路会更好，该器件可以通过布置共源共栅拓扑结构的Si MOSFET和SiC JFET（图4）来实现。

图4：硅/碳化硅共源共栅

当MOSFET栅极和源极电压为0V时，漏极电压升高。JFET栅极也为0V，因此当源极电压从MOSFET漏极电压升高到10 V时，JFET会见证栅极和源极之间出现-10 V电压，因此开关关闭。当MOSFET栅极电压为正时，它会打开，因此让JFET的栅极和源极短接，从而打开JFET。这个电路拓扑会创建所需的常关型器件，MOSFET栅极电压为0V。该拓扑还意味着串联的输入输出电容包括CDS，以实现JFET，它的值接近于零，从而降低了米勒效应，以及它对高频增益的影响。

其他优势

在开关时，Si MOSFET漏极电压是JFET漏极电压经过几乎为零的JFET漏源电容CDS和MOSFET的非零CDS“倾泻而下”，因此MOSFET漏极保持低压。这意味着，MOSFET可以是低压类型，且漏极和源极之间维持非常低的导通电阻，且栅极驱动更加容易。还有一个优势，那就是低压MOSFET的体二极管的前向压降非常低，且恢复速度快。JFET没有体二极管，因此当需要第三象限反向开关导电时，如在换流桥电路或同步整流中，MOSFET体二极管会导电。这会将JFET栅源限制到约+0.6 V，从而确保它在最大程度上打开，这可实现反向电流和低压降。

米勒效应的终结

SiC共源共栅拓扑解决了米勒电容问题，且同时实现了简单的栅极驱动、常关运行和高性能体二极管。这与SiC MOSFET不同，在SiC MOSFET中，体二极管特征差，甚至与GaN HEMT也不同，后者有高CDS。物理特征的不变性导致热离子器件中产生限制高频增益的米勒效应，这也适用于半导体器件。不过，这种不变性也意味着基于共源共栅的问题解决方案在现代化的SiC器件中与在老式管中同样适用。似乎改变越多，不变的也越多。

文章来源： UnitedSiC

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