MOSFET開關(guān)使用共源共柵拓?fù)湎桌招?yīng)詳解-KIA MOS管

米勒電容如何限制高頻放大

以米勒效應(yīng)為例。在20世紀(jì)20年代，美國電子工程師約翰·彌爾頓·米勒發(fā)現(xiàn)簡單的真空三極管當(dāng)作為放大器使用時(shí)，由于網(wǎng)格和陽極之間存在內(nèi)部電容，會出現(xiàn)一個(gè)問題。這個(gè)電容通過在電容的阻抗隨著不斷升高的運(yùn)行頻率而降低時(shí)施加越來越高的負(fù)反饋，降低放大器的帶寬。

米勒認(rèn)識到，如圖1所示將兩個(gè)三極管串聯(lián)（如級聯(lián)型三極管或共源共柵拓?fù)洌┛赡軙档蛷妮斎氲捷敵龅目傠娙荨ｈb于上管排電壓固定，上三極管的陰極電壓通過下三極管控制。當(dāng)開發(fā)出帶有內(nèi)部簾柵的四極管后，這種內(nèi)部電容及其相關(guān)效應(yīng)會降低，從而可以構(gòu)建可以在數(shù)百兆赫下運(yùn)行的單管放大器。

圖1：原始的聯(lián)級三極管或共源共柵電路

米勒效應(yīng)的回歸

隨著設(shè)計(jì)師開始用固態(tài)半導(dǎo)體代替熱離子管，米勒效應(yīng)也回歸了，而這又一次開始限制高頻運(yùn)行。

為什么會這樣？在基于MOSFET的開關(guān)電路中，米勒效應(yīng)限制了開關(guān)速度，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路必須以一種低損耗的可靠方式為輸入電容充電和放電。這種米勒電容（即CGD）的效應(yīng)會因柵極電壓而異。

例如，考慮增強(qiáng)模式的MOSFET開關(guān)，它在柵極電壓為0V時(shí)關(guān)閉。總的柵極輸入電容表現(xiàn)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（請參見圖2），包括CGS、CGD、CDS、負(fù)載ZL和散裝電容CBULK。

CGD兩端還有正電壓。當(dāng)MOSFET打開時(shí)，漏電壓降至接近零，總電容變成與CGS并聯(lián)的CGD，且與關(guān)態(tài)相比跨CGD有負(fù)電壓。在從開到關(guān)再從關(guān)到開的開關(guān)過程中，輸入電容必須在這些條件之間交換。

圖2：關(guān)閉和打開時(shí)的MOSFET輸入電容相同

MOSFET柵極開關(guān)波形正向部分的平臺期（參見圖3）代表兩個(gè)輸入電容狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器突然必須努力工作，從而使開關(guān)轉(zhuǎn)換變慢。

為了加劇效應(yīng)，如漏極壓降，它會嘗試“推動(dòng)”柵極負(fù)壓經(jīng)過CGD，與正的開態(tài)電壓命令相抗。當(dāng)驅(qū)動(dòng)MOSFET關(guān)閉時(shí)，此過程會反過來。

CGD會嘗試“拉動(dòng)”柵極正壓，這就是為什么鼓勵(lì)處理MOSFET和IGBT的設(shè)計(jì)師使用負(fù)的關(guān)態(tài)柵極電壓抵消這種效應(yīng)。這會轉(zhuǎn)而提高驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O所需的功率。

圖3：柵極驅(qū)動(dòng)電壓的米勒電容“平臺”

控制柵漏電容

器件的柵漏電容CGD會受到半導(dǎo)體器件的體系結(jié)構(gòu)的影響，因此會因橫向或縱向構(gòu)建而異。

可以盡量降低CGD以獲得低壓MOSFET，但是在高壓下它可以變成一個(gè)問題，尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)師想要使用碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）等材料構(gòu)建寬帶隙器件時(shí)。

有些物理規(guī)律是無法規(guī)避的：這些技術(shù)的開關(guān)速度仍受其米勒電容的限制，對抗米勒效應(yīng)的最佳方式是使用共源共柵電路拓?fù)洹?/span>

現(xiàn)代化的共源共柵

基本的SiC開關(guān)使用結(jié)FET（JFET）結(jié)構(gòu)。如果JFET是作為垂直器件構(gòu)建的，其CGD可能達(dá)到有利的低點(diǎn)，而其漏源電容CDS還可以更低。但是，JFET是常開型器件，其柵極為0V，需要負(fù)的柵極電壓才能關(guān)閉。

這是橋電路中的問題，在該電路中，所有器件默認(rèn)為開態(tài)，適用瞬時(shí)功率。使用常關(guān)型器件構(gòu)建此類電路會更好，該器件可以通過布置共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Si MOSFET和SiC JFET（圖4）來實(shí)現(xiàn)。

圖4：硅/碳化硅共源共柵

當(dāng)MOSFET柵極和源極電壓為0V時(shí)，漏極電壓升高。JFET柵極也為0V，因此當(dāng)源極電壓從MOSFET漏極電壓升高到10 V時(shí)，JFET會見證柵極和源極之間出現(xiàn)-10 V電壓，因此開關(guān)關(guān)閉。

當(dāng)MOSFET柵極電壓為正時(shí)，它會打開，因此讓JFET的柵極和源極短接，從而打開JFET。這個(gè)電路拓?fù)鋾?chuàng)建所需的常關(guān)型器件，MOSFET柵極電壓為0V。

該拓?fù)溥€意味著串聯(lián)的輸入輸出電容包括CDS，以實(shí)現(xiàn)JFET，它的值接近于零，從而降低了米勒效應(yīng)，以及它對高頻增益的影響。

其他優(yōu)勢

在開關(guān)時(shí)，Si MOSFET漏極電壓是JFET漏極電壓經(jīng)過幾乎為零的JFET漏源電容CDS和MOSFET的非零CDS“傾瀉而下”，因此MOSFET漏極保持低壓。這意味著，MOSFET可以是低壓類型，且漏極和源極之間維持非常低的導(dǎo)通電阻，且柵極驅(qū)動(dòng)更加容易。

還有一個(gè)優(yōu)勢，那就是低壓MOSFET的體二極管的前向壓降非常低，且恢復(fù)速度快。JFET沒有體二極管，因此當(dāng)需要第三象限反向開關(guān)導(dǎo)電時(shí)，如在換流橋電路或同步整流中，MOSFET體二極管會導(dǎo)電。這會將JFET柵源限制到約+0.6 V，從而確保它在最大程度上打開，這可實(shí)現(xiàn)反向電流和低壓降。

米勒效應(yīng)的終結(jié)

SiC共源共柵拓?fù)浣鉀Q了米勒電容問題，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了簡單的柵極驅(qū)動(dòng)、常關(guān)運(yùn)行和高性能體二極管。這與SiC MOSFET不同，在SiC MOSFET中，體二極管特征差，甚至與GaN HEMT也不同，后者有高CDS。

物理特征的不變性導(dǎo)致熱離子器件中產(chǎn)生限制高頻增益的米勒效應(yīng)，這也適用于半導(dǎo)體器件。不過，這種不變性也意味著基于共源共柵的問題解決方案在現(xiàn)代化的SiC器件中與在老式管中同樣適用。似乎改變越多，不變的也越多。

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