h1_key

  密勒效應(Miller effect)是在電子學中，反相放大電路中，輸入與輸出之間的分布電容或寄生電容由于放大器的放大作用，其等效到輸入端的電容值會擴大1+K倍，其中K是該級放大電路電壓放大倍數(shù)。

  雖然一般密勒效應指的是電容的放大，但是任何輸入與其它高放大節(jié)之間的阻抗也能夠通過密勒效應改變放大器的輸入阻抗。

  我們先來看IGBT開通時的典型波形：

  上圖中，綠色的波形是GE電壓，藍色的波形是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導通，開始流過電流，同時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。導致米勒平臺的“罪魁禍首”是IGBT 集電極-門極之間寄生電容Cgc。由于半導體設計結(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橋式應用中，如果關(guān)斷沒有負壓，或者開關(guān)速度過快，米勒電容可能會導致寄生導通。如下圖，兩個IGBT組成一個半橋，上下管交替開通關(guān)斷，兩個管子不允許同時導通，否則不僅會增加系統(tǒng)損耗，還可能導致失效。當下管IGBT開通時，負載電流從下管流過，CE間電壓從母線電壓降至飽和電壓Vcesat。而此時，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會再次導通，并流過電流，增加系統(tǒng)損耗。

  怎么判斷是否發(fā)生了寄生導通呢?

  一個實驗幫助理解和觀察寄生導通。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Vgs=-5V時，下管開通電流的包裹面積，明顯小于當Vge=0V時的電流包裹面積，充分說明，當Vge=0V時，有額外的電流參與了開通過程。這個電流，就是來自于上管的寄生導通。

  如何避免寄生導通?

  從器件角度看，有幾個重要的參數(shù)：

  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，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。

  高閾值電壓 - 閾值電壓如果太低，米勒效應感應出的寄生電壓就很容易超過閾值，從而引起寄生導通。這一條對于IGBT不是問題，絕大部分IGBT的閾值在5~6V之間，有一定的抗寄生導通能力。但SiC MOSFET不一樣，因為SiC 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，進而降低SiC MOSFET的通態(tài)電阻，但是米勒效應引起的門極電壓抬升就很容易超過閾值電壓，這一現(xiàn)象在高溫時尤其明顯，因為閾值電壓隨溫度上升而下降。英飛凌CoolSiC? MOSFET因為采用了溝槽型結(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，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，從而具有非常強的抗寄生導通能力。

  從驅(qū)動的角度看：

  使用負壓關(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，門極實際電壓為2V，小于閾值電壓，不會發(fā)生寄生導通。而如果0V關(guān)斷的話，可想而知門極實際電壓就是7V，寄生導通將無法避免。一般電流越大，需要的負壓越深。

  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，直接用一個低阻通路(MOSFET)將IGBT的門極連接到地，當位移電流出現(xiàn)時，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，從而避免了寄生導通。

  帶米勒鉗位的驅(qū)動芯片內(nèi)部框圖

  典型應用電路

  開通與關(guān)斷電阻分開。寄生導通發(fā)生時，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電壓，從而減少寄生導通的風險。

  功率器件中的米勒效應來自于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通，從而導致系統(tǒng)損耗上升。抑制米勒寄生導通，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)動設計上可以選擇負壓驅(qū)動、米勒鉗位、開通及關(guān)斷電阻分開等多種方式。