IGBT中米勒效應的影響和處理方法

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米勒效應

之前我們在介紹MOS和IGBT的文章中也有提到米勒電容和米勒效應的概念，在IGBT的導通過程分析的文章中我們也簡單提到過米勒平臺，下面我們來詳細地聊一聊。

米勒電容：

上圖是我們之前在講MOS和IGBT的輸入電容，輸出電容和米勒電容的概念時看到過，下面是對應的公式：

Ciss= CGE+ CGC輸入電容

Coss= CGC+ CEC輸出電容

Crss= CGC 米勒電容

其中柵極和射極之間的寄生電容就是今天我們所討論的主角。

下面我們以MOS中的米勒效應來展開說明：

米勒效應在MOS驅動中臭名昭著，它是由MOS管的米勒電容引發(fā)的米勒效應，在MOS管開通過程中，GS電壓上升到某一電壓值后GS間電壓會經過一段不變值的過程，過后GS間電壓又開始上升直至完全導通，如下圖中最粗的曲線所示：

MOSFET的柵極驅動過程，可以簡單的理解為驅動源對MOSFET的輸入電容（主要是柵源極電容Cgs）的充放電過程；當Cgs達到門檻電壓之后， MOSFET就會進入開通狀態(tài)；當MOSFET開通后，Vds開始下降，Id開始上升，此時MOSFET進入飽和區(qū)；但由于米勒效應，Vgs會持續(xù)一段時間不再上升，此時Id已經達到最大，而Vds還在繼續(xù)下降，直到米勒電容充滿電，Vgs又上升到驅動電壓的值，此時MOSFET進入電阻區(qū)，此時Vds徹底降下來，開通結束。(由于米勒電容阻止了Vgs的上升，從而也就阻止了Vds的下降，這樣就會使損耗的時間加長,從而增加了損耗。)

這個平臺期間：

前一個拐點前：MOS 截止期，此時Cgs充電，Vgs向Vth逼進。

前一個拐點處：MOS 正式進入放大期

后一個拐點處：MOS 正式退出放大期，開始進入飽和期。

MOSFET中的米勒平臺實際上就是MOSFET處于“放大區(qū)”的典型標志。

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計算分析

向MOSFET施加電壓時，將產生輸入電流Igate=I1+I2，如下圖所示。

在右側電壓節(jié)點上利用式I=C×dV/dt，可得到： I1=Cgd×d(Vgs-Vds)/dt=Cgd×(dVgs/dt-dVds/dt) ①

I2=Cgs×d(Vgs/dt) ②

如果在MOSFET上施加柵-源電壓Vgs，其漏-源電壓Vds就會下降(即使是呈非線性下降)。因此，可以將連接這兩個電壓的負增益定義為：

? Av=- Vds/Vgs ③

將式③代入式②中，可得：

I1=Cgd×(1+Av)dVgs/dt

在轉換(導通或關斷)過程中，柵-源極的總等效電容Ceq為：

Igate=I1+I2=(Cgd×(1+Av)+Cgs)×dVgs/dt=Ceq×dVgs/dt ④

式中(1+Av)這一項被稱作米勒效應，它描述了電子器件中輸出和輸入之間的電容反饋。當GC間電壓接近于零時，將產生米勒效應。同樣的，IGBT開通過程中也會遇到米勒平臺。

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IGBT中米勒效應的影響和處理方法

米勒效應在單電源門極驅動過程中非常顯著。基于門極G與集電極C之間的耦合，在IGBT關斷期間會產生一個很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會引發(fā)門極VGE間電壓升高而導通，這里存在著潛在的風險。

如上圖所示，上管IGBT(S1)在導通時，S1處于半橋拓撲，此時S1會產生一個變化的電壓dV/dt，這個電壓通過下管IGBT(S2)。電流流經S2的寄生米勒電容CCG、柵極電阻RG和內部驅動柵極電阻RDRIVER。這個產生的電流使門極電阻兩端產生電壓差，這個電壓如果超過IGBT的門極驅動門限閾值，將導致寄生導通。

當下管IGBT(S2)導通時，寄生米勒電容引起的導通同樣會發(fā)生在S1上。

米勒效應是無法避免的，只有采用適當的方法減緩！

一般有四種方法：

①選擇合適的門極驅動電阻RG

②在門極G和射極E之間增加電容

③采用負壓驅動

④門極有源鉗位

下面是上面四種方法的簡單介紹：

①選擇合適的門極驅動電阻RG

采用了獨立的門極開通和關斷電阻，門極導通電阻RGON影響IGBT導通期間的門極充電電壓和電流；增大這個電阻將減小門極充電的電壓和電流，但會增加開通損耗。

寄生米勒電容引起的導通通過減小關斷電阻RGOFF可以有效抑制。較小的RGOFF同樣也能減少IGBT的關斷損耗，然而需要付出的代價是在關斷期間由于雜散電感會產生很高的過壓尖峰和門極震蕩。

②在門極G和射極E之間增加電容

門極和發(fā)射極之間增加的這個電容CGE會影響到IGBT開關的性能，CGE分擔了米勒電容產生的門極充電電流。因為IGBT的總輸入電容為CCG||CGE，鑒于這種情況，門極充電要達到門極驅動的電壓閾值就需要產生更多的電荷(如上圖)。又因增加了電容CGE，因此驅動電源功耗會增加，在相同的門極驅動電阻下，IGBT的開關損耗也會相應地增加。

③采用負壓驅動

采用門極負電壓來提高門限電壓，同時保證了關斷的可靠性，特別是IGBT模塊在100A以上的應用中，是很典型的運用。增加負電源供電增加設計復雜度，同時也增大設計尺寸。

④門極有源鉗位

要想避免RG優(yōu)化、CGE損耗和效率、負電源供電成本增加等問題，另一種方法是使門極和發(fā)射極之間發(fā)生短路，這種方法可以避免IGBT不經意的打開。具體操作方法是在門極與射極之間增加三級管，當VGE電壓達到某個值時，門極與射極的短路開關(三級管)將被觸發(fā)。這樣流經米勒電容的電流將被增加的三極管截斷而不會流向VOUT，這種技術被稱為有源米勒鉗位技術。

現如今，四種方法都是互相結合來實現最高性價比地減緩米勒效應的。當然，功率半導體中可能米勒效應不應該存在，但是在一些應用中，米勒效應也是有好處的，比如制作頻率補償電容，或者是可控的電容等。

所以，米勒效應產生的大致原理和相關的處理方法如上文所述。有些地方可能不是很準確，希望大家提出來(因為沒有留言功能，只能私信了，望諒解)。今天，我們就聊到這里，期待您的關注和分享，慢慢由淺入深地繼續(xù)下去，謝謝！