【導讀】搞電力電子的同學想必經常被“米勒效應”這個詞困擾。米勒效應增加開關延時不說，還可能引起寄生導通，增加器件損耗。那么米勒效應是如何產生的，我們又該如何應對呢？
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電壓繼續上升至15V，至此整個開通過程完成。
IGBT門極電壓在開關過程中展現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。由于半導體設計結構, IGBT內部存在各類寄生電容，如下圖所示，可分為柵極-發射極電容、柵極-集電極電容和集電極-發射極電容。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，如果關斷沒有負壓，或者開關速度過快，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，上下管交替開通關斷，兩個管子不允許同時導通，否則不僅會增加系統損耗，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，產生很大的電壓變化率dv/dt。dv/dt作用在上管米勒電容上，產生位移電流。位移電流經過門極電阻回到地，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，增加系統損耗。
怎么判斷是否發生了寄生導通呢？
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：
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，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動電壓Vgs-Vth，進而降低SiC MOSFET的通態電阻，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構，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。
從驅動的角度看：
1 使用負壓關斷。如果米勒電容引起的門極電壓抬升是7V，疊加在-5V的關斷電壓條件下，門極實際電壓為2V，小于閾值電壓，不會發生寄生導通。而如果0V關斷的話，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。
2 使用帶米勒鉗位的驅動芯片。米勒鉗位的原理是，在IGBT處于關斷狀態（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。
帶米勒鉗位的驅動芯片內部框圖
典型應用電路
3 開通與關斷電阻分開。寄生導通發生時，位移電流流過關斷電阻，從而抬升了門極電壓。如果減小關斷的門極電阻，則可以降低門極感應電壓，從而減少寄生導通的風險。
總 結
總結一下，功率器件中的米勒效應來自于IGBT或MOSFET 結構中的門極—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，驅動設計上可以選擇負壓驅動、米勒鉗位、開通及關斷電阻分開等多種方式。
參考閱讀
IGBT驅動電路中的鉗位電路
分立式CoolSiC?MOSFET的寄生導通行為研究
IGBT門極驅動到底要不要負壓
來源：英飛凌，趙佳
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