【導(dǎo)讀】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(kāi)關(guān)延時(shí)不說(shuō)，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(duì)呢？
我們先來(lái)看IGBT開(kāi)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(kāi)通過(guò)程中，GE的電壓從-10V開(kāi)始上升，上升至閾值電壓后，IGBT導(dǎo)通，開(kāi)始流過(guò)電流，同時(shí)CE電壓下降。CE電壓下降過(guò)程中，門(mén)極電壓不再上升，而是維持在一定的電壓平臺(tái)上，稱(chēng)為米勒平臺(tái)。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(kāi)通過(guò)程完成。
IGBT門(mén)極電壓在開(kāi)關(guān)過(guò)程中展現(xiàn)出來(lái)的平臺(tái)稱(chēng)為米勒平臺(tái)。導(dǎo)致米勒平臺(tái)的“罪魁禍?zhǔn)住笔荌GBT 集電極-門(mén)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(lèi)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(mén)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(méi)有負(fù)壓，或者開(kāi)關(guān)速度過(guò)快，米勒電容可能會(huì)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(kāi)通關(guān)斷，兩個(gè)管子不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則不僅會(huì)增加系統(tǒng)損耗，還可能導(dǎo)致失效。當(dāng)下管IGBT開(kāi)通時(shí)，負(fù)載電流從下管流過(guò)，CE間電壓從母線(xiàn)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(xiàn)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(guò)門(mén)極電阻回到地，引起門(mén)極電壓抬升。如果門(mén)極電壓高于閾值電壓Vth，則上管的IGBT會(huì)再次導(dǎo)通，并流過(guò)電流，增加系統(tǒng)損耗。
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(cè)試平臺(tái)中，讓上管在0V和-5V的關(guān)斷電壓條件下，分別作兩次測(cè)試，觀察下管的開(kāi)通波形。當(dāng)Vgs=-5V時(shí)，下管開(kāi)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(shuō)明，當(dāng)Vge=0V時(shí)，有額外的電流參與了開(kāi)通過(guò)程。這個(gè)電流，就是來(lái)自于上管的寄生導(dǎo)通。
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(guò)閾值，從而引起寄生導(dǎo)通。這一條對(duì)于IGBT不是問(wèn)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(huì)把閾值做得比較低（2~4V），這樣雖然可以提高門(mén)極有效過(guò)驅(qū)動(dòng)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(mén)極電壓抬升就很容易超過(guò)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(dòng)的角度看：
1 使用負(fù)壓關(guān)斷。如果米勒電容引起的門(mén)極電壓抬升是7V，疊加在-5V的關(guān)斷電壓條件下，門(mén)極實(shí)際電壓為2V，小于閾值電壓，不會(huì)發(fā)生寄生導(dǎo)通。而如果0V關(guān)斷的話(huà)，可想而知門(mén)極實(shí)際電壓就是7V，寄生導(dǎo)通將無(wú)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(dòng)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(mén)極連接到地，當(dāng)位移電流出現(xiàn)時(shí)，將直接通過(guò)MOSFET流到地，不流過(guò)門(mén)極電阻，自然也就不會(huì)抬升門(mén)極電壓，從而避免了寄生導(dǎo)通。
帶米勒鉗位的驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部框圖
典型應(yīng)用電路
3 開(kāi)通與關(guān)斷電阻分開(kāi)。寄生導(dǎo)通發(fā)生時(shí)，位移電流流過(guò)關(guān)斷電阻，從而抬升了門(mén)極電壓。如果減小關(guān)斷的門(mén)極電阻，則可以降低門(mén)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(lái)自于IGBT或MOSFET 結(jié)構(gòu)中的門(mén)極—集電極/漏極之間寄生電容Cgc 或Cgd。米勒電容可能會(huì)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(dòng)設(shè)計(jì)上可以選擇負(fù)壓驅(qū)動(dòng)、米勒鉗位、開(kāi)通及關(guān)斷電阻分開(kāi)等多種方式。
參考閱讀
IGBT驅(qū)動(dòng)電路中的鉗位電路
分立式CoolSiC?MOSFET的寄生導(dǎo)通行為研究
IGBT門(mén)極驅(qū)動(dòng)到底要不要負(fù)壓
來(lái)源：英飛凌，趙佳
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