【導讀】物(wu)理(li)法(fa)則(ze)無(wu)法(fa)擊(ji)敗(bai)。電(dian)阻(zu)必(bi)然(ran)消(xiao)耗(hao)電(dian)能(neng)，並(bing)產(chan)生(sheng)熱(re)量(liang)和(he)壓(ya)降(jiang)。電(dian)容(rong)器(qi)要(yao)消(xiao)耗(hao)時(shi)間(jian)存(cun)儲(chu)電(dian)荷(he)
，再(zai)花(hua)時(shi)間(jian)釋(shi)放(fang)電(dian)荷(he)。電(dian)感(gan)器(qi)要(yao)花(hua)時(shi)間(jian)製(zhi)造(zao)電(dian)磁(ci)場(chang)並(bing)讓(rang)其(qi)坍(tan)塌(ta)。我(wo)們(men)對(dui)此(ci)無(wu)能(neng)為(wei)力(li)
，因(yin)此(ci)，自(zi)熱(re)離(li)子(zi)管(guan)誕(dan)生(sheng)之(zhi)日(ri)起(qi)
，電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)師(shi)就(jiu)學(xue)會(hui)了(le)通(tong)過(guo)開(kai)發(fa)巧(qiao)妙(miao)的(de)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)來(lai)解(jie)決(jue)這(zhe)些(xie)因(yin)素(su)。事(shi)實(shi)表(biao)明(ming)，物(wu)理(li)就(jiu)是(shi)物(wu)理(li)，過(guo)去(qu)對(dui)管(guan)適(shi)用(yong)的(de)規(gui)則(ze)也(ye)同(tong)樣(yang)適(shi)用(yong)於(yu)今(jin)天(tian)的(de)高(gao)性(xing)能(neng)半(ban)導(dao)體(ti)。

米勒電容如何限製高頻放大

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(mi)勒(le)發(fa)現(xian)簡(jian)單(dan)的(de)真(zhen)空(kong)三(san)極(ji)管(guan)當(dang)作(zuo)為(wei)放(fang)大(da)器(qi)使(shi)用(yong)時(shi)，由(you)於(yu)網(wang)格(ge)和(he)陽(yang)極(ji)之(zhi)間(jian)存(cun)在(zai)內(nei)部(bu)電(dian)容(rong)，會(hui)出(chu)現(xian)一(yi)個(ge)問(wen)題(ti)。這(zhe)個(ge)電(dian)容(rong)通(tong)過(guo)在(zai)電(dian)容(rong)的(de)阻(zu)抗(kang)隨(sui)著(zhe)不(bu)斷(duan)升(sheng)高(gao)的(de)運(yun)行(xing)頻(pin)率(lv)而(er)降(jiang)低(di)時(shi)施(shi)加(jia)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)的(de)負(fu)反(fan)饋(kui)，降(jiang)低(di)放(fang)大(da)器(qi)的(de)帶(dai)寬(kuan)。

米勒認識到，如圖1所示將兩個三極管串聯（如級聯型三極管或共源共柵拓撲）可ke能neng會hui降jiang低di從cong輸shu入ru到dao輸shu出chu的de總zong電dian容rong。鑒jian於yu上shang管guan排pai電dian壓ya固gu定ding
，上shang三san極ji管guan的de陰yin極ji電dian壓ya通tong過guo下xia三san極ji管guan控kong製zhi。當dang開kai發fa出chu帶dai有you內nei部bu簾lian柵zha的de四si極ji管guan後hou，這zhe種zhong內nei部bu電dian容rong及ji其qi相xiang關guan效xiao應ying會hui降jiang低di
，從cong而er可ke以yi構gou建jian可ke以yi在zai數shu百bai兆zhao赫he下xia運yun行xing的de單dan管guan放fang大da器qi。

【圖1：原始的聯級三極管或共源共柵電路】

米勒效應的回歸

隨著設計師開始用固態半導體代替熱離子管
，米勒效應也回歸了，而這又一次開始限製高頻運行。

為什麼會這樣？在基於MOSFET的開關電路中，米勒效應限製了開關速度，因為驅動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）的效應會因柵極電壓而異。

例如，考慮增強模式的MOSFET開關，它在柵極電壓為0V時關閉。總的柵極輸入電容表現為一個網絡（請參見圖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打開時，漏電壓降至接近零，總電容變成與CGS並聯的CGD，且與關態相比跨CGD有負電壓。在從開到關再從關到開的開關過程中，輸入電容必須在這些條件之間交換。

【圖2：關閉和打開時的MOSFET輸入電容相同】

MOSFET柵極開關波形正向部分的平台期（參見圖3）代表兩個輸入電容狀態間的轉換，因為驅動器突然必須努力工作，從而使開關轉換變慢。為了加劇效應，如漏極壓降，它會嚐試“推動”柵極負壓經過CGD，與正的開態電壓命令相抗。當驅動MOSFET關閉時，此過程會反過來。CGD會嚐試“拉動”柵極正壓，這就是為什麼鼓勵處理MOSFET和IGBT的設計師使用負的關態柵極電壓抵消這種效應。這會轉而提高驅動柵極所需的功率。

【圖3：柵極驅動電壓的米勒電容“平台”】

控製柵漏電容

器件的柵漏電容CGD會受到半導體器件的體係結構的影響，因此會因橫向或縱向構建而異。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問題，尤其是當設計師想要使用碳化矽（SiC）或氮化镓（GaN）等材料構建寬帶隙器件時。有些物理規律是無法規避的：這些技術的開關速度仍受其米勒電容的限製
，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開關使用結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，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(xu)要(yao)負(fu)的(de)柵(zha)極(ji)電(dian)壓(ya)才(cai)能(neng)關(guan)閉(bi)。這(zhe)是(shi)橋(qiao)電(dian)路(lu)中(zhong)的(de)問(wen)題(ti)

，在(zai)該(gai)電(dian)路(lu)中(zhong)，所(suo)有(you)器(qi)件(jian)默(mo)認(ren)為(wei)開(kai)態(tai)，適(shi)用(yong)瞬(shun)時(shi)功(gong)率(lv)。使(shi)用(yong)常(chang)關(guan)型(xing)器(qi)件(jian)構(gou)建(jian)此(ci)類(lei)電(dian)路(lu)會(hui)更(geng)好(hao)
，該(gai)器(qi)件(jian)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)布(bu)置(zhi)共(gong)源(yuan)共(gong)柵(zha)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)的(de)Si MOSFET和SiC JFET（圖4）來實現。

【圖4：矽/碳化矽共源共柵】

當MOSFET柵極和源極電壓為0V時

，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
，JFET會見證柵極和源極之間出現-10 V電壓，因此開關關閉。當MOSFET柵極電壓為正時，它會打開，因此讓JFET的柵極和源極短接，從而打開JFET。這個電路拓撲會創建所需的常關型器件
，MOSFET柵極電壓為0V。該拓撲還意味著串聯的輸入輸出電容包括CDS，以實現JFET
，它的值接近於零
，從而降低了米勒效應，以及它對高頻增益的影響。

其他優勢

在開關時
，Si MOSFET漏極電壓是JFET漏極電壓經過幾乎為零的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通電阻，且柵極驅動更加容易。還有一個優勢，那就是低壓MOSFET的體二極管的前向壓降非常低，且恢複速度快。JFET沒有體二極管，因此當需要第三象限反向開關導電時，如在換流橋電路或同步整流中，MOSFET體二極管會導電。這會將JFET柵源限製到約+0.6 V，從而確保它在最大程度上打開，這可實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題，且同時實現了簡單的柵極驅動、常關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，後者有高CDS。wulitezhengdebubianxingdaozhireliziqijianzhongchanshengxianzhigaopinzengyidemilexiaoying，zheyeshiyongyubandaotiqijian。buguo
，zhezhongbubianxingyeyiweizhejiyugongyuangongzhadewentijiejuefanganzaixiandaihuadeSiC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。

來源： UnitedSiC

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