【導讀】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。我們對此無(wú)能為力，因此，自熱離子管誕生之日起，電子產(chǎn)品設計師就學(xué)會(huì )了通過(guò)開(kāi)發(fā)巧妙的電路拓撲來(lái)解決這些因素。事實(shí)表明，物理就是物理，過(guò)去對管適用的規則也同樣適用于今天的高性能半導體。
米勒電容如何限制高頻放大
以米勒效應為例。在20世紀20年代，美國電子工程師約翰·彌爾頓·米勒發(fā)現簡(jiǎn)單的真空三極管當作為放大器使用時(shí)，由于網(wǎng)格和陽(yáng)極之間存在內部電容，會(huì )出現一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)電容通過(guò)在電容的阻抗隨著(zhù)不斷升高的運行頻率而降低時(shí)施加越來(lái)越高的負反饋，降低放大器的帶寬。
米勒認識到，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撲）可能會(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。當開(kāi)發(fā)出帶有內部簾柵的四極管后，這種內部電容及其相關(guān)效應會(huì )降低，從而可以構建可以在數百兆赫下運行的單管放大器。
【圖1：原始的聯(lián)級三極管或共源共柵電路】
米勒效應的回歸
隨著(zhù)設計師開(kāi)始用固態(tài)半導體代替熱離子管，米勒效應也回歸了，而這又一次開(kāi)始限制高頻運行。
為什么會(huì )這樣？在基于MOSFET的開(kāi)關(guān)電路中，米勒效應限制了開(kāi)關(guān)速度，因為驅動(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）的效應會(huì )因柵極電壓而異。
例如，考慮增強模式的MOSFET開(kāi)關(guān)，它在柵極電壓為0V時(shí)關(guān)閉?？偟臇艠O輸入電容表現為一個(gè)網(wǎng)絡(luò )（請參見(jiàn)圖2），包括CGS、CGD、CDS、負載ZL和散裝電容CBULK。CGD兩端還有正電壓。當MOSFET打開(kāi)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有負電壓。在從開(kāi)到關(guān)再從關(guān)到開(kāi)的開(kāi)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(kāi)時(shí)的MOSFET輸入電容相同】
MOSFET柵極開(kāi)關(guān)波形正向部分的平臺期（參見(jiàn)圖3）代表兩個(gè)輸入電容狀態(tài)間的轉換，因為驅動(dòng)器突然必須努力工作，從而使開(kāi)關(guān)轉換變慢。為了加劇效應，如漏極壓降，它會(huì )嘗試“推動(dòng)”柵極負壓經(jīng)過(guò)CGD，與正的開(kāi)態(tài)電壓命令相抗。當驅動(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，這就是為什么鼓勵處理MOSFET和IGBT的設計師使用負的關(guān)態(tài)柵極電壓抵消這種效應。這會(huì )轉而提高驅動(dòng)柵極所需的功率。
【圖3：柵極驅動(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(huì )受到半導體器件的體系結構的影響，因此會(huì )因橫向或縱向構建而異?？梢员M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，尤其是當設計師想要使用碳化硅（SiC）或氮化鎵（GaN）等材料構建寬帶隙器件時(shí)。有些物理規律是無(wú)法規避的：這些技術(shù)的開(kāi)關(guān)速度仍受其米勒電容的限制，對抗米勒效應的最佳方式是使用共源共柵電路拓撲。
現代化的共源共柵
基本的SiC開(kāi)關(guān)使用結FET（JFET）結構。如果JFET是作為垂直器件構建的，其CGD可能達到有利的低點(diǎn)，而其漏源電容CDS還可以更低。但是，JFET是常開(kāi)型器件，其柵極為0V，需要負的柵極電壓才能關(guān)閉。這是橋電路中的問(wèn)題，在該電路中，所有器件默認為開(kāi)態(tài)，適用瞬時(shí)功率。使用常關(guān)型器件構建此類(lèi)電路會(huì )更好，該器件可以通過(guò)布置共源共柵拓撲結構的Si MOSFET和SiC JFET（圖4）來(lái)實(shí)現。
【圖4：硅/碳化硅共源共柵】
當MOSFET柵極和源極電壓為0V時(shí)，漏極電壓升高。JFET柵極也為0V，因此當源極電壓從MOSFET漏極電壓升高到10 V時(shí)，JFET會(huì )見(jiàn)證柵極和源極之間出現-10 V電壓，因此開(kāi)關(guān)關(guān)閉。當MOSFET柵極電壓為正時(shí)，它會(huì )打開(kāi)，因此讓JFET的柵極和源極短接，從而打開(kāi)JFET。這個(gè)電路拓撲會(huì )創(chuàng )建所需的常關(guān)型器件，MOSFET柵極電壓為0V。該拓撲還意味著(zhù)串聯(lián)的輸入輸出電容包括CDS，以實(shí)現JFET，它的值接近于零，從而降低了米勒效應，以及它對高頻增益的影響。
其他優(yōu)勢
在開(kāi)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(zhù)，MOSFET可以是低壓類(lèi)型，且漏極和源極之間維持非常低的導通電阻，且柵極驅動(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，且恢復速度快。JFET沒(méi)有體二極管，因此當需要第三象限反向開(kāi)關(guān)導電時(shí)，如在換流橋電路或同步整流中，MOSFET體二極管會(huì )導電。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(kāi)，這可實(shí)現反向電流和低壓降。
米勒效應的終結
SiC共源共柵拓撲解決了米勒電容問(wèn)題，且同時(shí)實(shí)現了簡(jiǎn)單的柵極驅動(dòng)、常關(guān)運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致熱離子器件中產(chǎn)生限制高頻增益的米勒效應，這也適用于半導體器件。不過(guò)，這種不變性也意味著(zhù)基于共源共柵的問(wèn)題解決方案在現代化的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。
來(lái)源： UnitedSiC
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