一、引言
说到米勒电容不得不谈到米勒效应,这对于电子工程师来说是一个复杂的课题。米勒效应在1920年由 John Milton Miller 提出来的,米勒效应牵扯到电路分析相关知识,在电子技术专业领域,往往初学者对于电路分析的基础不是特别理解,在调试过程中遇到米勒效应带来的麻烦时不知道从哪里下手,解决手段也比较有限。本文所要展示的是米勒效应形成的原因以及目前常用的解决手段。
二、现象及危害
电子工程师在调试过程中会遇到如图所示的问题:
图中的CH1为MOS管G极驱动波形,CH2为控制IC输出的驱动波形,CH3为MOS管Vds波形,我们可以看出,MOS管G极的启动波形有一个凸起的震荡波形,而不是一个平台,跟我们理解的米勒平台效果不一致,这个问题我们在后面文章进行分析讨论。
在功率MOSFET应用中会出现寄生或误导通的现象,这种现象在现实中会更频繁地发生,并且可能造成更大的损害。 它的出现通常会导致MOSFET的损坏,而且由于寄生参数的影响,高频导通会出现震荡,不利于EMC性能,降低产品可靠性。
三、米勒电容器引起的寄生导通
MOSFET在开关时面临的常见问题之一是由于米勒电容器引起的寄生导通。 在单电源栅极驱动器(0至+ 12V)中,这种影响非常明显。 由于这种栅极-集电极耦合,在MOSFET关断期间产生的高dV / dt瞬变会引起寄生导通(栅极电压,VGS),这具有潜在的危险,如下图所示。
当变换器发生开关动作时,MOS管S1两端会发生电压变化dVds/dt。电流流过MOS管寄生米勒电容器Cdg,栅极电阻Rg和内部驱动器。该电流值大小为:
该电流在栅极电阻两端产生电压降。 如果该电压超过MOSFET栅极阈值电压,则会发生寄生导通。 设计人员应注意,温度升高会导致栅极阈值电压略有降低,通常在mV /°C范围内。
四、寄生导通解决方案
对于上述问题,有三种经典的解决方案: 首先是改变栅极电阻,其次是在栅极和源极之间增加一个电容器,第三是使用负栅极驱动, 第四种简单有效的解决方案是有源钳位技术。下面会对这四种方法进行详细说明。
1、单独的导通关断回路电阻
栅极导通电阻Rgon影响MOSFET导通期间的电压和电流变化。 增加该电阻可减少电压和电流变化,但会增加开关损耗。可以通过减小关断栅极电阻Rgoff来防止寄生导通。较小的Rgoff还将减少MOSFET关断期间的开关损耗。但是,由于杂散电感,需要权衡较高的过冲Vds和关断期间的振荡。由于上述原因,将需要对两个栅极电阻进行一些设计优化。
2、增加分流电容
栅极和源极之间的附加电容器Cgs将影响MOS管的开关状态。Cgs将承担来自Miller电容的额外电流。由于MOS的总输入电容为Cgs || Cdg,因此达到阈值电压所需的栅极电荷会增加。由于使用了这个额外的电容器,因此对于相同的Rg,所需的驱动器功率会增加,并且MOSFET的开关损耗会更高。
3、负压驱动
该方法通常在额定电流较高的应用中使用负栅极电压来安全地关断和阻断MOSFET或者IGBT。考虑到驱动成本,在较低电流应用场合通常不使用负栅极电压。不过目前宽禁带半导体时代的到来,市面上不少氮化镓产品还是需要负压关断来实现可靠关断。
4、有源米勒钳位
为了避免Rg优化问题,Cgs导致的效率损失以及负电源电压的额外成本,提出了另一种措施,即通过将栅极到发射极之间的路径短路来防止MOSFET误导通。这可以通过在栅极和源极之间增加一个晶体管来实现。达到一定的Vgs后,此“开关”会使栅极-源极区域短路。 米勒电容上出现的电流被晶体管分流,而不是流过输出驱动器gate引脚。
以上是针对米勒效应抑制的措施,尤其在硬开关电路中,该现象会比较明显,若是软开关应用拓扑中米勒效应也会有一定影响,但是更多的是由于电路设计本身的寄生参数所导致,后面还会谈一谈关于在ZVS开关电路中如何避免米勒效应的影响。