1. 什么是米勒效应?
米勒效应(Miller effect)是在电子学中,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。

图 1: 一个理想的电压反相放大器,带有将输出连接到输入的阻抗
输入电容的增长值为

2. MOSFET的米勒电容在哪里?
在功率MOSFET中,栅极与沟道之间存在一个薄层二氧化硅,pn结间存在一个空间电荷区。因此,功率MOSFET在栅极-漏极、栅极-源极和漏极-源极之间存在寄生电容,如图2所示。

图2. 功率MOSFET的寄生电容栅-漏电容Cgd和栅-源电容Cgs主要由栅极电极的结构决定,而漏-源电容Cds则由垂直pn结的电容决定。而Cgd扮演了米勒电容的作用。
3. 什么是米勒平台?
米勒平台(Miller Plateau)展示了当MOSFET开启时,由于米勒效应导致的栅极电压停滞现象。米勒效应是因为在MOSFET的漏极和栅极之间存在有效的电容Cgd,即所谓的米勒电容。

图3. 栅极电荷与栅源电压的关系
图3是通过以恒定电流向栅极充电来开启MOSFET的同时,漏极通过限流电路被拉至Vdd而生成的。当栅极电压升至超过阈值电压后,漏极电流达到由限流电路设定的上限,此时Vds(漏源电压)开始下降,通过栅极从Cgd上置换出电荷。随着Vds从Vdd降至0V,VG(栅极电压)因Cgd上的位移电流而保持不变。这就是米勒平台。
4.为什么米勒平台在较高的Vds下变宽?
米勒平台的宽度显示了Cgd中的电荷量。对于给定的MOSFET,米勒平台的宽度是Vds在开启过程中电压范围的函数。图2中将VG与Vds对齐,以便更清晰地说明这一点。

图4. MOSFET开启过程的关键波形图1的栅极电荷曲线显示了三个Vds区间;区间1是从0V到11V,区间2是从0V到28V,区间3是从0V到44V。现在,可以明确以下事实:
Vds区间3 > Vds区间2 > Vds区间1
Vds区间3包含了区间2和区间1。
Cgd上的电荷量随Vds区间的增大而增加。
米勒平台会随着Cgd上电荷量的增加而变得更宽。
这些结论对你来说是否显得过于笼统和不可靠?
那么,让我们换个角度来看:
从电容上的电荷表达式开始:
Q = CV,其微分形式为 dQ = CdV
我们知道,Cgd并非常数,而会随着Vds的变化而变化。查看数据手册中的Cgd曲线,我们希望找到一个方程,在Vds=0处不是无穷大,并且呈指数(或类似指数)衰减。这里不会详细讨论这是如何做到的。只是选择一些看起来匹配度很高的简单形式,并尝试将它们拟合到数据上。因此,这不是基于器件的物理特性,而是基于简单的拟合。

其中:Cgdo=1056 pF,kc=0.41—— 一个任意的比例系数
将这个拟合模型与数据手册对比,我们可以看到:

因此,将Cgd模型表达式代入电荷方程的微分形式,并对两边进行积分后,我们得到:


图5. Cgd电荷随Vds的变化曲线
图5显示,对于Vds的更大变化,Q始终在增加。
唯一使这不成立的情况是Cgd在某些Vds值下变为负值,但这在物理上是不可能的。所以,更多的Vds变化会导致更多的电荷积累。
