博文 | MOSFET米勒效应详解

1. 米勒效应：

在电子学中，反相放大电路中，输入与输出之间的分布电容或寄生电容由于放大器的放大作用，其等效到输入端的电容值会扩大1+K倍，其中K是该级放大电路电压放大倍数。对于MOSFET，其电容模型如下:

MOSFET的三极存在以下三个电容，分别是：Cgs，Cgd，Cds，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。

由于米勒电容的存在，MOSFET驱动波形在开通和关断过程中，会有一个“平台”，在一定时间内，驱动电压是不变的。这就是臭名昭著的“米勒平台”。

2. 米勒效应形成的原理

假设一个增益为-Av的理想电压放大器如图所示，在放大器的输出和输入端之间连接一个阻抗为 Z的电阻网络。定义输入电流为Ii（假设放大器的输入电流为0），输入阻抗为Zin，那么有如下的等式关系:

由此可见，电压放大器增加了电路的输入电容，并且放大系数为（1+Av） 。这个效应称之为米勒效应。再联系到我们的 MOSFET，加入寄生电容的原理图可以由下左图来表示。根据 MOSFET 的小信号模型，MOSFET形成了一个反向电压放大器，其等效电路可以由下图来表示。

3. 米勒效应分析

下图是MOSFET开启阶段，MOS的各个波形。

其中Vgs是栅源驱动电压，Vds是MOS漏极电压，ig是驱动电流，id是漏源电流。

以下是MOS管开通的四个过程。

t0—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。

t1—t2阶段

t1时刻，MOS管就开始导通了，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。

t2—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。

MOSFET中的米勒平台实际上就是MOSFET处于“放大区”的典型标志。

t3~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。

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。

4. 米勒效应的危害和改进

1) 米勒效应会产生米勒平台，也就是开通阶段阻碍驱动电压的上升，关断阶段阻碍驱动电压的下降，延长了开关的时间，导致损耗严重，降低了电路的效率。再者，MOSFET不能快速地开关，易造成稳定性降低。

2) 对于有上下管驱动的电路，有上下管同时导通的危险，见下面分析：

上管开通下管关断时的测试波形

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。

上管关断下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。  

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。