IGBT中米勒效应的影响和处理方法

1

米勒效应

之前我们在介绍MOS和IGBT的文章中也有提到米勒电容和米勒效应的概念，在IGBT的导通过程分析的文章中我们也简单提到过米勒平台，下面我们来详细地聊一聊。

米勒电容：

上图是我们之前在讲MOS和IGBT的输入电容，输出电容和米勒电容的概念时看到过，下面是对应的公式：

Ciss= CGE+ CGC输入电容

Coss= CGC+ CEC输出电容

Crss= CGC 米勒电容

其中栅极和射极之间的寄生电容就是今天我们所讨论的主角。

下面我们以MOS中的米勒效应来展开说明：

米勒效应在MOS驱动中臭名昭著，它是由MOS管的米勒电容引发的米勒效应，在MOS管开通过程中，GS电压上升到某一电压值后GS间电压会经过一段不变值的过程，过后GS间电压又开始上升直至完全导通，如下图中最粗的曲线所示：

MOSFET的栅极驱动过程，可以简单的理解为驱动源对MOSFET的输入电容（主要是栅源极电容Cgs）的充放电过程；当Cgs达到门槛电压之后， MOSFET就会进入开通状态；当MOSFET开通后，Vds开始下降，Id开始上升，此时MOSFET进入饱和区；但由于米勒效应，Vgs会持续一段时间不再上升，此时Id已经达到最大，而Vds还在继续下降，直到米勒电容充满电，Vgs又上升到驱动电压的值，此时MOSFET进入电阻区，此时Vds彻底降下来，开通结束。(由于米勒电容阻止了Vgs的上升，从而也就阻止了Vds的下降，这样就会使损耗的时间加长,从而增加了损耗。)

这个平台期间：

前一个拐点前：MOS 截止期，此时Cgs充电，Vgs向Vth逼进。

前一个拐点处：MOS 正式进入放大期

后一个拐点处：MOS 正式退出放大期，开始进入饱和期。

MOSFET中的米勒平台实际上就是MOSFET处于“放大区”的典型标志。

2

计算分析

向MOSFET施加电压时，将产生输入电流Igate=I1+I2，如下图所示。

在右侧电压节点上利用式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上施加栅-源电压Vgs，其漏-源电压Vds就会下降(即使是呈非线性下降)。因此，可以将连接这两个电压的负增益定义为：

 Av=- Vds/Vgs ③

将式③代入式②中，可得：

I1=Cgd×(1+Av)dVgs/dt

在转换(导通或关断)过程中，栅-源极的总等效电容Ceq为：

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

式中(1+Av)这一项被称作米勒效应，它描述了电子器件中输出和输入之间的电容反馈。当GC间电压接近于零时，将产生米勒效应。同样的，IGBT开通过程中也会遇到米勒平台。

3

IGBT中米勒效应的影响和处理方法

米勒效应在单电源门极驱动过程中非常显著。基于门极G与集电极C之间的耦合，在IGBT关断期间会产生一个很高的瞬态dv/dt，这样会引发门极VGE间电压升高而导通，这里存在着潜在的风险。

如上图所示，上管IGBT(S1)在导通时，S1处于半桥拓扑，此时S1会产生一个变化的电压dV/dt，这个电压通过下管IGBT(S2)。电流流经S2的寄生米勒电容CCG、栅极电阻RG和内部驱动栅极电阻RDRIVER。这个产生的电流使门极电阻两端产生电压差，这个电压如果超过IGBT的门极驱动门限阈值，将导致寄生导通。

当下管IGBT(S2)导通时，寄生米勒电容引起的导通同样会发生在S1上。

米勒效应是无法避免的，只有采用适当的方法减缓！

一般有四种方法：

①选择合适的门极驱动电阻RG

②在门极G和射极E之间增加电容

③采用负压驱动

④门极有源钳位

下面是上面四种方法的简单介绍：

①选择合适的门极驱动电阻RG

采用了独立的门极开通和关断电阻，门极导通电阻RGON影响IGBT导通期间的门极充电电压和电流；增大这个电阻将减小门极充电的电压和电流，但会增加开通损耗。

寄生米勒电容引起的导通通过减小关断电阻RGOFF可以有效抑制。较小的RGOFF同样也能减少IGBT的关断损耗，然而需要付出的代价是在关断期间由于杂散电感会产生很高的过压尖峰和门极震荡。

②在门极G和射极E之间增加电容

门极和发射极之间增加的这个电容CGE会影响到IGBT开关的性能，CGE分担了米勒电容产生的门极充电电流。因为IGBT的总输入电容为CCG||CGE，鉴于这种情况，门极充电要达到门极驱动的电压阈值就需要产生更多的电荷(如上图)。又因增加了电容CGE，因此驱动电源功耗会增加，在相同的门极驱动电阻下，IGBT的开关损耗也会相应地增加。

③采用负压驱动

采用门极负电压来提高门限电压，同时保证了关断的可靠性，特别是IGBT模块在100A以上的应用中，是很典型的运用。增加负电源供电增加设计复杂度，同时也增大设计尺寸。

④门极有源钳位

要想避免RG优化、CGE损耗和效率、负电源供电成本增加等问题，另一种方法是使门极和发射极之间发生短路，这种方法可以避免IGBT不经意的打开。具体操作方法是在门极与射极之间增加三级管，当VGE电压达到某个值时，门极与射极的短路开关(三级管)将被触发。这样流经米勒电容的电流将被增加的三极管截断而不会流向VOUT，这种威廉希尔官方网站 被称为有源米勒钳位威廉希尔官方网站 。

现如今，四种方法都是互相结合来实现最高性价比地减缓米勒效应的。当然，功率半导体中可能米勒效应不应该存在，但是在一些应用中，米勒效应也是有好处的，比如制作频率补偿电容，或者是可控的电容等。

所以，米勒效应产生的大致原理和相关的处理方法如上文所述。有些地方可能不是很准确，希望大家提出来(因为没有留言功能，只能私信了，望谅解)。今天，我们就聊到这里，期待您的关注和分享，慢慢由浅入深地继续下去，谢谢！