米勒效應(yīng)

之前我們?cè)诮榻BMOS和IGBT的文章中也有提到米勒電容和米勒效應(yīng)的概念，在IGBT的導(dǎo)通過程分析的文章中我們也簡(jiǎn)單提到過米勒平臺(tái)，下面我們來詳細(xì)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(shí)看到過，下面是對(duì)應(yīng)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(yīng)來展開說明：

米勒效應(yīng)在MOS驅(qū)動(dòng)中臭名昭著，它是由MOS管的米勒電容引發(fā)的米勒效應(yīng)，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(huì)經(jīng)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(dǎo)通，如下圖中最粗的曲線所示：

MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)過程，可以簡(jiǎn)單的理解為驅(qū)動(dòng)源對(duì)MOSFET的輸入電容（主要是柵源極電容Cgs）的充放電過程；當(dāng)Cgs達(dá)到門檻電壓之后， MOSFET就會(huì)進(jìn)入開通狀態(tài)；當(dāng)MOSFET開通后，Vds開始下降，Id開始上升，此時(shí)MOSFET進(jìn)入飽和區(qū)；但由于米勒效應(yīng)，Vgs會(huì)持續(xù)一段時(shí)間不再上升，此時(shí)Id已經(jīng)達(dá)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(qū)動(dòng)電壓的值，此時(shí)MOSFET進(jìn)入電阻區(qū)，此時(shí)Vds徹底降下來，開通結(jié)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(huì)使損耗的時(shí)間加長(zhǎng),從而增加了損耗。)

這個(gè)平臺(tái)期間：

前一個(gè)拐點(diǎn)前：MOS 截止期，此時(shí)Cgs充電，Vgs向Vth逼進(jìn)。

前一個(gè)拐點(diǎn)處：MOS 正式進(jìn)入放大期

后一個(gè)拐點(diǎn)處：MOS 正式退出放大期，開始進(jìn)入飽和期。

MOSFET中的米勒平臺(tái)實(shí)際上就是MOSFET處于“放大區(qū)”的典型標(biāo)志。

2

計(jì)算分析

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

在右側(cè)電壓節(jié)點(diǎn)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?xùn)?源電壓Vgs，其漏-源電壓Vds就會(huì)下降(即使是呈非線性下降)。因此，可以將連接這兩個(gè)電壓的負(fù)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(zhuǎn)換(導(dǎo)通或關(guān)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(xiàng)被稱作米勒效應(yīng)，它描述了電子器件中輸出和輸入之間的電容反饋。當(dāng)GC間電壓接近于零時(shí)，將產(chǎn)生米勒效應(yīng)。同樣的，IGBT開通過程中也會(huì)遇到米勒平臺(tái)。

3

IGBT中米勒效應(yīng)的影響和處理方法

米勒效應(yīng)在單電源門極驅(qū)動(dòng)過程中非常顯著?；陂T極G與集電極C之間的耦合，在IGBT關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會(huì)引發(fā)門極VGE間電壓升高而導(dǎo)通，這里存在著潛在的風(fēng)險(xiǎn)。

如上圖所示，上管IGBT(S1)在導(dǎo)通時(shí)，S1處于半橋拓?fù)?，此時(shí)S1會(huì)產(chǎn)生一個(gè)變化的電壓dV/dt，這個(gè)電壓通過下管IGBT(S2)。電流流經(jīng)S2的寄生米勒電容CCG、柵極電阻RG和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O電阻RDRIVER。這個(gè)產(chǎn)生的電流使門極電阻兩端產(chǎn)生電壓差，這個(gè)電壓如果超過IGBT的門極驅(qū)動(dòng)門限閾值，將導(dǎo)致寄生導(dǎo)通。

當(dāng)下管IGBT(S2)導(dǎo)通時(shí)，寄生米勒電容引起的導(dǎo)通同樣會(huì)發(fā)生在S1上。

米勒效應(yīng)是無法避免的，只有采用適當(dāng)?shù)姆椒p緩！

一般有四種方法：

①選擇合適的門極驅(qū)動(dòng)電阻RG

②在門極G和射極E之間增加電容

③采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)

④門極有源鉗位

下面是上面四種方法的簡(jiǎn)單介紹：

①選擇合適的門極驅(qū)動(dòng)電阻RG

采用了獨(dú)立的門極開通和關(guān)斷電阻，門極導(dǎo)通電阻RGON影響IGBT導(dǎo)通期間的門極充電電壓和電流；增大這個(gè)電阻將減小門極充電的電壓和電流，但會(huì)增加開通損耗。

寄生米勒電容引起的導(dǎo)通通過減小關(guān)斷電阻RGOFF可以有效抑制。較小的RGOFF同樣也能減少IGBT的關(guān)斷損耗，然而需要付出的代價(jià)是在關(guān)斷期間由于雜散電感會(huì)產(chǎn)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(gè)電容CGE會(huì)影響到IGBT開關(guān)的性能，CGE分擔(dān)了米勒電容產(chǎn)生的門極充電電流。因?yàn)镮GBT的總輸入電容為CCG||CGE，鑒于這種情況，門極充電要達(dá)到門極驅(qū)動(dòng)的電壓閾值就需要產(chǎn)生更多的電荷(如上圖)。又因增加了電容CGE，因此驅(qū)動(dòng)電源功耗會(huì)增加，在相同的門極驅(qū)動(dòng)電阻下，IGBT的開關(guān)損耗也會(huì)相應(yīng)地增加。

③采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)

采用門極負(fù)電壓來提高門限電壓，同時(shí)保證了關(guān)斷的可靠性，特別是IGBT模塊在100A以上的應(yīng)用中，是很典型的運(yùn)用。增加負(fù)電源供電增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)也增大設(shè)計(jì)尺寸。

④門極有源鉗位

要想避免RG優(yōu)化、CGE損耗和效率、負(fù)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(jīng)意的打開。具體操作方法是在門極與射極之間增加三級(jí)管，當(dāng)VGE電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，門極與射極的短路開關(guān)(三級(jí)管)將被觸發(fā)。這樣流經(jīng)米勒電容的電流將被增加的三極管截?cái)喽粫?huì)流向VOUT，這種技術(shù)被稱為有源米勒鉗位技術(shù)。

現(xiàn)如今，四種方法都是互相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)最高性價(jià)比地減緩米勒效應(yīng)的。當(dāng)然，功率半導(dǎo)體中可能米勒效應(yīng)不應(yīng)該存在，但是在一些應(yīng)用中，米勒效應(yīng)也是有好處的，比如制作頻率補(bǔ)償電容，或者是可控的電容等。

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