物理法則無(wú)法擊敗。電阻必然消耗電能，并產(chǎn)生熱量和壓降。電容器要消耗時(shí)間存儲(chǔ)電荷，再花時(shí)間釋放電荷。電感器要花時(shí)間制造電磁場(chǎng)并讓其坍塌。我們對(duì)此無(wú)能為力，因此，自熱離子管誕生之日起，電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師就學(xué)會(huì)了通過(guò)開發(fā)巧妙的電路拓?fù)鋪?lái)解決這些因素。事實(shí)表明，物理就是物理，過(guò)去對(duì)管適用的規(guī)則也同樣適用于今天的高性能半導(dǎo)體。

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(guó)電子工程師約翰·彌爾頓·米勒發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)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(yáng)極之間存在內(nèi)部電容，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)電容通過(guò)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(lái)越高的負(fù)反饋，降低放大器的帶寬。

米勒認(rèn)識(shí)到，如圖1所示將兩個(gè)三極管串聯(lián)（如級(jí)聯(lián)型三極管或共源共柵拓?fù)洌┛赡軙?huì)降低從輸入到輸出的總電容。鑒于上管排電壓固定，上三極管的陰極電壓通過(guò)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(huì)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(jí)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(huì)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)?a target="_blank">驅(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(huì)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?？偟臇艠O輸入電容表現(xiàn)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)（請(qǐng)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?gòu)年P(guān)到開的開關(guān)過(guò)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(tái)期（參見圖3）代表兩個(gè)輸入電容狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，因?yàn)?a target="_blank">驅(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(huì)嘗試“推動(dòng)”柵極負(fù)壓經(jīng)過(guò)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(guò)程會(huì)反過(guò)來(lái)。CGD會(huì)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(huì)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(tái)”

控制柵漏電容

器件的柵漏電容CGD會(huì)受到半導(dǎo)體器件的體系結(jié)構(gòu)的影響，因此會(huì)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(wèn)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(wú)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(duì)抗米勒效應(yīng)的最佳方式是使用共源共柵電路拓?fù)洹?/p>

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(wèn)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(huì)更好，該器件可以通過(guò)布置共源共柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的Si MOSFET和SiC JFET（圖4）來(lái)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(huì)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(huì)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?huì)創(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(duì)高頻增益的影響。

其他優(yōu)勢(shì)

在開關(guān)時(shí)，Si MOSFET漏極電壓是JFET漏極電壓經(jīng)過(guò)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(shì)，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(méi)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(huì)導(dǎo)電。這會(huì)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(wèn)題，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)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(guò)，這種不變性也意味著基于共源共柵的問(wèn)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?cè)蕉啵蛔兊囊苍蕉唷?/p>

文章來(lái)源： UnitedSiC

審核編輯 黃宇