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米勒電容和米勒效應(yīng)的器件系統(tǒng)設(shè)計
2023-03-02 752次

  密勒效應(yīng)(Miller effect)是在電子學(xué)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(kuò)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(yīng)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(yīng)改變放大器的輸入阻抗。

  我們先來看IGBT開通時的典型波形:


米勒電容和米勒效應(yīng)的器件系統(tǒng)設(shè)計


  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。在開通過程中,GE的電壓從-10V開始上升,上升至閾值電壓后,IGBT導(dǎo)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(dǎo)致米勒平臺的“罪魁禍?zhǔn)住笔荌GBT 集電極-門極之間寄生電容Cgc。由于半導(dǎo)體設(shè)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。


米勒電容和米勒效應(yīng)的器件系統(tǒng)設(shè)計


 IGBT的寄生電容

  在IGBT橋式應(yīng)用中,如果關(guān)斷沒有負(fù)壓,或者開關(guān)速度過快,米勒電容可能會導(dǎo)致寄生導(dǎo)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(dǎo)通,否則不僅會增加系統(tǒng)損耗,還可能導(dǎo)致失效。當(dāng)下管IGBT開通時,負(fù)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(dǎo)通,并流過電流,增加系統(tǒng)損耗。


米勒電容和米勒效應(yīng)的器件系統(tǒng)設(shè)計


  怎么判斷是否發(fā)生了寄生導(dǎo)通呢?

  一個實驗幫助理解和觀察寄生導(dǎo)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(dāng)Vgs=-5V時,下管開通電流的包裹面積,明顯小于當(dāng)Vge=0V時的電流包裹面積,充分說明,當(dāng)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(dǎo)通。


米勒電容和米勒效應(yīng)的器件系統(tǒng)設(shè)計


  如何避免寄生導(dǎo)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(yīng)感應(yīng)出的寄生電壓就很容易超過閾值,從而引起寄生導(dǎo)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(dǎo)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(jìn)而降低SiC MOSFET的通態(tài)電阻,但是米勒效應(yīng)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(qiáng)的抗寄生導(dǎo)通能力。


  從驅(qū)動的角度看:

  使用負(fù)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(dǎo)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(dǎo)通將無法避免。一般電流越大,需要的負(fù)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(dāng)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(dǎo)通。


米勒電容和米勒效應(yīng)的器件系統(tǒng)設(shè)計

  帶米勒鉗位的驅(qū)動芯片內(nèi)部框圖



米勒電容和米勒效應(yīng)的器件系統(tǒng)設(shè)計


  典型應(yīng)用電路

  開通與關(guān)斷電阻分開。寄生導(dǎo)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(yīng)電壓,從而減少寄生導(dǎo)通的風(fēng)險。

  功率器件中的米勒效應(yīng)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(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)動設(shè)計上可以選擇負(fù)壓驅(qū)動、米勒鉗位、開通及關(guān)斷電阻分開等多種方式。

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