米勒电容、米勒效应和器件与系统设计对策

搞电力电子的同学想必经常被“米勒效应”这个词困扰。米勒效应增加开关延时不说，还可能引起寄生导通，增加器件损耗。那么米勒效应是如何产生的，我们又该如何应对呢？

我们先来看IGBT开通时的典型波形：

上图中，绿色的波形是GE电压，蓝色的波形是CE电压，红色的波形是集电极电流IC。在开通过程中，GE的电压从-10V开始上升，上升至阈值电压后，IGBT导通，开始流过电流，同时CE电压下降。CE电压下降过程中，门极电压不再上升，而是维持在一定的电压平台上，称为米勒平台。在这期间，CE电压完全降至0V。随后GE电压继续上升至15V，至此整个开通过程完成。

IGBT门极电压在开关过程中展现出来的平台称为米勒平台。导致米勒平台的“罪魁祸首”是IGBT 集电极-门极之间寄生电容Cgc。由于半导体设计结构, IGBT内部存在各类寄生电容，如下图所示，可分为栅极-发射极电容、栅极-集电极电容和集电极-发射极电容。其中门极与集电极（or漏极）之间的电容就是米勒电容，又叫转移电容，即下图中的C2、C5。

IGBT的寄生电容

在IGBT桥式应用中，如果关断没有负压，或者开关速度过快，米勒电容可能会导致寄生导通。如下图，两个IGBT组成一个半桥，上下管交替开通关断，两个管子不允许同时导通，否则不仅会增加系统损耗，还可能导致失效。当下管IGBT开通时，负载电流从下管流过，CE间电压从母线电压降至饱和电压Vcesat。而此时，上管IGBT必须关断，CE间电压从饱和电压跳变到母线电压。上管电压的从低到高跳变，产生很大的电压变化率dv/dt。dv/dt作用在上管米勒电容上，产生位移电流。位移电流经过门极电阻回到地，引起门极电压抬升。如果门极电压高于阈值电压Vth，则上管的IGBT会再次导通，并流过电流，增加系统损耗。

怎么判断是否发生了寄生导通呢？

一个实验帮助理解和观察寄生导通。在双脉冲测试平台中，让上管在0V和-5V的关断电压条件下，分别作两次测试，观察下管的开通波形。当Vgs=-5V时，下管开通电流的包裹面积，明显小于当Vge=0V时的电流包裹面积，充分说明，当Vge=0V时，有额外的电流参与了开通过程。这个电流，就是来自于上管的寄生导通。

如何避免寄生导通？

从器件角度看，有几个重要的参数：

1 低米勒电容 - 米勒电容越小，相同的dv/dt下，位移电流越小。这一点，英飞凌IGBT7和CoolSiC™ MOSFET尤其出色。以FP25R12W1T7为例，它的米勒电容Crss仅有0.017nF，相比同电流IGBT4的0.05nF，减少了近2/3。

2 高阈值电压 - 阈值电压如果太低，米勒效应感应出的寄生电压就很容易超过阈值，从而引起寄生导通。这一条对于IGBT不是问题，绝大部分IGBT的阈值在5~6V之间，有一定的抗寄生导通能力。但SiC MOSFET不一样，因为SiC MOSFET沟道迁移率比较低，大部分SiC MOSFET会把阈值做得比较低（2~4V），这样虽然可以提高门极有效过驱动电压Vgs-Vth，进而降低SiC MOSFET的通态电阻，但是米勒效应引起的门极电压抬升就很容易超过阈值电压，这一现象在高温时尤其明显，因为阈值电压随温度上升而下降。英飞凌CoolSiC™ MOSFET因为采用了沟槽型结构，垂直晶面的沟道迁移率较高，所以可以把阈值做得高一点，而不影响其通态压降。CoolSiC™ MOSFET阈值电压典型值 为4.5V，再加上极低的米勒电容，从而具有非常强的抗寄生导通能力。

从驱动的角度看：

1 使用负压关断。如果米勒电容引起的门极电压抬升是7V，叠加在-5V的关断电压条件下，门极实际电压为2V，小于阈值电压，不会发生寄生导通。而如果0V关断的话，可想而知门极实际电压就是7V，寄生导通将无法避免。一般电流越大，需要的负压越深。

2 使用带米勒钳位的驱动芯片。米勒钳位的原理是，在IGBT处于关断状态（Vg-VEE低于2V）时，直接用一个低阻通路（MOSFET）将IGBT的门极连接到地，当位移电流出现时，将直接通过MOSFET流到地，不流过门极电阻，自然也就不会抬升门极电压，从而避免了寄生导通。

带米勒钳位的驱动芯片内部框图

典型应用电路

3 开通与关断电阻分开。寄生导通发生时，位移电流流过关断电阻，从而抬升了门极电压。如果减小关断的门极电阻，则可以降低门极感应电压，从而减少寄生导通的风险。

总 结

总结一下，功率器件中的米勒效应来自于IGBT或MOSFET 结构中的门极—集电极/漏极之间寄生电容Cgc 或Cgd。米勒电容可能会引起寄生导通，从而导致系统损耗上升。抑制米勒寄生导通，要注意选择具有较低米勒电容，或者是较高阈值电压的器件，驱动设计上可以选择负压驱动、米勒钳位、开通及关断电阻分开等多种方式。

参考阅读

IGBT驱动电路中的钳位电路

分立式CoolSiC™MOSFET的寄生导通行为研究

IGBT门极驱动到底要不要负压

来源：英飞凌，赵佳