米勒電容、米勒效應(yīng)和器件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)對策

搞電力電子的同學(xué)想必經(jīng)常被“米勒效應(yīng)”這個(gè)詞困擾。米勒效應(yīng)增加開關(guān)延時(shí)不說，還可能引起寄生導(dǎo)通，增加器件損耗。那么米勒效應(yīng)是如何產(chǎn)生的，我們又該如何應(yīng)對呢？

我們先來看IGBT開通時(shí)的典型波形：

上圖中，綠色的波形是GE電壓，藍(lán)色的波形是CE電壓，紅色的波形是集電極電流IC。在開通過程中，GE的電壓從-10V開始上升，上升至閾值電壓后，IGBT導(dǎo)通，開始流過電流，同時(shí)CE電壓下降。CE電壓下降過程中，門極電壓不再上升，而是維持在一定的電壓平臺上，稱為米勒平臺。在這期間，CE電壓完全降至0V。隨后GE電壓繼續(xù)上升至15V，至此整個(gè)開通過程完成。

IGBT門極電壓在開關(guān)過程中展現(xiàn)出來的平臺稱為米勒平臺。導(dǎo)致米勒平臺的“罪魁禍?zhǔn)住笔荌GBT 集電極-門極之間寄生電容Cgc。由于半導(dǎo)體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu), IGBT內(nèi)部存在各類寄生電容，如下圖所示，可分為柵極-發(fā)射極電容、柵極-集電極電容和集電極-發(fā)射極電容。其中門極與集電極（or漏極）之間的電容就是米勒電容，又叫轉(zhuǎn)移電容，即下圖中的C2、C5。

IGBT的寄生電容

在IGBT橋式應(yīng)用中，如果關(guān)斷沒有負(fù)壓，或者開關(guān)速度過快，米勒電容可能會導(dǎo)致寄生導(dǎo)通。如下圖，兩個(gè)IGBT組成一個(gè)半橋，上下管交替開通關(guān)斷，兩個(gè)管子不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則不僅會增加系統(tǒng)損耗，還可能導(dǎo)致失效。當(dāng)下管IGBT開通時(shí)，負(fù)載電流從下管流過，CE間電壓從母線電壓降至飽和電壓Vcesat。而此時(shí)，上管IGBT必須關(guān)斷，CE間電壓從飽和電壓跳變到母線電壓。上管電壓的從低到高跳變，產(chǎn)生很大的電壓變化率dv/dt。dv/dt作用在上管米勒電容上，產(chǎn)生位移電流。位移電流經(jīng)過門極電阻回到地，引起門極電壓抬升。如果門極電壓高于閾值電壓Vth，則上管的IGBT會再次導(dǎo)通，并流過電流，增加系統(tǒng)損耗。

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怎么判斷是否發(fā)生了寄生導(dǎo)通呢？

一個(gè)實(shí)驗(yàn)幫助理解和觀察寄生導(dǎo)通。在雙脈沖測試平臺中，讓上管在0V和-5V的關(guān)斷電壓條件下，分別作兩次測試，觀察下管的開通波形。當(dāng)Vgs=-5V時(shí)，下管開通電流的包裹面積，明顯小于當(dāng)Vge=0V時(shí)的電流包裹面積，充分說明，當(dāng)Vge=0V時(shí)，有額外的電流參與了開通過程。這個(gè)電流，就是來自于上管的寄生導(dǎo)通。

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如何避免寄生導(dǎo)通？

從器件角度看，有幾個(gè)重要的參數(shù)：

1

低米勒電容-米勒電容越小，相同的dv/dt下，位移電流越小。這一點(diǎn)，英飛凌IGBT7和CoolSiC MOSFET尤其出色。以FP25R12W1T7為例，它的米勒電容Crss僅有0.017nF，相比同電流IGBT4的0.05nF，減少了近2/3。

2

高閾值電壓 -閾值電壓如果太低，米勒效應(yīng)感應(yīng)出的寄生電壓就很容易超過閾值，從而引起寄生導(dǎo)通。這一條對于IGBT不是問題，絕大部分IGBT的閾值在5~6V之間，有一定的抗寄生導(dǎo)通能力。但SiC MOSFET不一樣，因?yàn)镾iC MOSFET溝道遷移率比較低，大部分SiC MOSFET會把閾值做得比較低（2~4V），這樣雖然可以提高門極有效過驅(qū)動電壓Vgs-Vth，進(jìn)而降低SiC MOSFET的通態(tài)電阻，但是米勒效應(yīng)引起的門極電壓抬升就很容易超過閾值電壓，這一現(xiàn)象在高溫時(shí)尤其明顯，因?yàn)殚撝惦妷弘S溫度上升而下降。英飛凌CoolSiC MOSFET因?yàn)椴捎昧藴喜坌徒Y(jié)構(gòu)，垂直晶面的溝道遷移率較高，所以可以把閾值做得高一點(diǎn)，而不影響其通態(tài)壓降。CoolSiC MOSFET閾值電壓典型值 為4.5V，再加上極低的米勒電容，從而具有非常強(qiáng)的抗寄生導(dǎo)通能力。

從驅(qū)動的角度看：

1

使用負(fù)壓關(guān)斷。如果米勒電容引起的門極電壓抬升是7V，疊加在-5V的關(guān)斷電壓條件下，門極實(shí)際電壓為2V，小于閾值電壓，不會發(fā)生寄生導(dǎo)通。而如果0V關(guān)斷的話，可想而知門極實(shí)際電壓就是7V，寄生導(dǎo)通將無法避免。一般電流越大，需要的負(fù)壓越深。

2

使用帶米勒鉗位的驅(qū)動芯片。米勒鉗位的原理是，在IGBT處于關(guān)斷狀態(tài)（Vg-VEE低于2V）時(shí)，直接用一個(gè)低阻通路（MOSFET）將IGBT的門極連接到地，當(dāng)位移電流出現(xiàn)時(shí)，將直接通過MOSFET流到地，不流過門極電阻，自然也就不會抬升門極電壓，從而避免了寄生導(dǎo)通。

帶米勒鉗位的驅(qū)動芯片內(nèi)部框圖

典型應(yīng)用電路

3

開通與關(guān)斷電阻分開。寄生導(dǎo)通發(fā)生時(shí)，位移電流流過關(guān)斷電阻，從而抬升了門極電壓。如果減小關(guān)斷的門極電阻，則可以降低門極感應(yīng)電壓，從而減少寄生導(dǎo)通的風(fēng)險(xiǎn)。

總 結(jié)

總結(jié)一下，功率器件中的米勒效應(yīng)來自于IGBT或MOSFET 結(jié)構(gòu)中的門極—集電極/漏極之間寄生電容Cgc 或Cgd。米勒電容可能會引起寄生導(dǎo)通，從而導(dǎo)致系統(tǒng)損耗上升。抑制米勒寄生導(dǎo)通，要注意選擇具有較低米勒電容，或者是較高閾值電壓的器件，驅(qū)動設(shè)計(jì)上可以選擇負(fù)壓驅(qū)動、米勒鉗位、開通及關(guān)斷電阻分開等多種方式。