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米勒效应(Miller Effect)

2021-1-30 19:19:38 显示全部楼层
米勒效应(Miller Effect)
前言:米勒效应(Miller Effect)在功率半导体器件的应用中是不可忽视的一个问题。
1、米勒效应
之前我们在介绍MOS和IGBT的文章中也有提到米勒电容和米勒效应的概念,在IGBT的导通过程分析的文章中我们也简单提到过米勒平台,下面我们来详细地聊一聊。
米勒电容:

1.png
上图是我们之前在讲MOS和IGBT的输入电容,输出电容和米勒电容的概念时看到过,下面是对应的公式:
Ciss= CGE+ CGC  输入电容
Coss= CGC+ CEC 输出电容
Crss= CGC   米勒电容
其中栅极和射极之间的寄生电容就是今天我们所讨论的主角。
下面我们以MOS中的米勒效应来展开说明:
米勒效应在MOS驱动中臭名昭著,它是由MOS管的米勒电容引发的米勒效应,在MOS管开通过程中,GS电压上升到某一电压值后GS间电压会经过一段不变值的过程,过后GS间电压又开始上升直至完全导通,如下图中最粗的曲线所示:
2.jpg
MOSFET的栅极驱动过程,可以简单的理解为驱动源对MOSFET的输入电容(主要是栅源极电容Cgs)的充放电过程;当Cgs达到门槛电压之后, MOSFET就会进入开通状态;当MOSFET开通后,Vds开始下降,Id开始上升,此时MOSFET进入饱和区;但由于米勒效应,Vgs会持续一段时间不再上升,此时Id已经达到最大,而Vds还在继续下降,直到米勒电容充满电,Vgs又上升到驱动电压的值,此时MOSFET进入电阻区,此时Vds彻底降下来,开通结束。(由于米勒电容阻止了Vgs的上升,从而也就阻止了Vds的下降,这样就会使损耗的时间加长,从而增加了损耗。)
这个平台期间:
前一个拐点前:MOS 截止期,此时Cgs充电,Vgs向Vth逼进。
前一个拐点处:MOS 正式进入放大期
后一个拐点处:MOS 正式退出放大期,开始进入饱和期。
MOSFET中的米勒平台实际上就是MOSFET处于“放大区”的典型标志。

2、计算分析
向MOSFET施加电压时,将产生输入电流Igate=I1+I2,如下图所示。
3.jpg
在右侧电压节点上利用式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上施加栅-源电压Vgs,其漏-源电压Vds就会下降(即使是呈非线性下降)。因此,可以将连接这两个电压的负增益定义为:
                         Av=- Vds/Vgs                   ③
将式③代入式②中,可得:
I1=Cgd×(1+Av)dVgs/dt  
在转换(导通或关断)过程中,栅-源极的总等效电容Ceq为:
Igate=I1+I2=(Cgd×(1+Av)+Cgs)×dVgs/dt=Ceq×dVgs/dt ④
式中(1+Av)这一项被称作米勒效应,它描述了电子器件中输出和输入之间的电容反馈。当GC间电压接近于零时,将产生米勒效应。同样的,IGBT开通过程中也会遇到米勒平台。

3、IGBT中米勒效应的影响和处理方法
米勒效应在单电源门极驱动过程中非常显著。基于门极G与集电极C之间的耦合,在IGBT关断期间会产生一个很高的瞬态dv/dt,这样会引发门极VGE间电压升高而导通,这里存在着潜在的风险。
4.jpg
如上图所示,上管IGBT(S1)在导通时,S1处于半桥拓扑,此时S1会产生一个变化的电压dV/dt,这个电压通过下管IGBT(S2)。电流流经S2的寄生米勒电容CCG、栅极电阻RG和内部驱动栅极电阻RDRIVER。这个产生的电流使门极电阻两端产生电压差,这个电压如果超过IGBT的门极驱动门限阈值,将导致寄生导通。
当下管IGBT(S2)导通时,寄生米勒电容引起的导通同样会发生在S1上。
米勒效应是无法避免的,只有采用适当的方法减缓!
一般有四种方法:
①选择合适的门极驱动电阻RG
②在门极G和射极E之间增加电容
③采用负压驱动
④门极有源钳位
下面是上面四种方法的简单介绍:
①选择合适的门极驱动电阻RG

5.jpg
如上图所示,上管IGBT(S1)在导通时,S1处于半桥拓扑,此时S1会产生一个变化的电压dV/dt,这个电压通过下管IGBT(S2)。电流流经S2的寄生米勒电容CCG、栅极电阻RG和内部驱动栅极电阻RDRIVER。这个产生的电流使门极电阻两端产生电压差,这个电压如果超过IGBT的门极驱动门限阈值,将导致寄生导通。
当下管IGBT(S2)导通时,寄生米勒电容引起的导通同样会发生在S1上。
米勒效应是无法避免的,只有采用适当的方法减缓!
一般有四种方法:
①选择合适的门极驱动电阻RG
②在门极G和射极E之间增加电容
③采用负压驱动
④门极有源钳位
下面是上面四种方法的简单介绍:
①选择合适的门极驱动电阻RG
7.jpg
采用门极负电压来提高门限电压,同时保证了关断的可靠性,特别是IGBT模块在100A以上的应用中,是很典型的运用。增加负电源供电增加设计复杂度,同时也增大设计尺寸。
④门极有源钳位
要想避免RG优化、CGE损耗和效率、负电源供电成本增加等问题,另一种方法是使门极和发射极之间发生短路,这种方法可以避免IGBT不经意的打开。具体操作方法是在门极与射极之间增加三级管,当VGE电压达到某个值时,门极与射极的短路开关(三级管)将被触发。这样流经米勒电容的电流将被增加的三极管截断而不会流向VOUT,这种技术被称为有源米勒钳位技术。
8.jpg
现如今,四种方法都是互相结合来实现最高性价比地减缓米勒效应的。当然,功率半导体中可能米勒效应不应该存在,但是在一些应用中,米勒效应也是有好处的,比如制作频率补偿电容,或者是可控的电容等。
所以,米勒效应产生的大致原理和相关的处理方法如上文所述。

本文已授作者前辈允许,来源于:https://mp.weixin.qq.com/s/dRO1Tq9cRV-kchr2I2wpFA
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火引冰薪 2021-1-31 16:23:07 显示全部楼层
米勒效应可以改善电路的性能。

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是因为电容性质改善嘛?  详情 回复 发表于 2021-1-31 18:11

Lgnited

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Lgnited 2021-1-31 18:11:18 显示全部楼层
火引冰薪 发表于 2021-1-31 16:23
米勒效应可以改善电路的性能。

是因为电容性质改善嘛?

点评

电容本身的特性  详情 回复 发表于 2021-1-31 21:22

火引冰薪

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