【经验】如何理解MOS管开关时的米勒效应

时间： 2019-05-15 来源：世强

技术问答

很多电子工程师在使用MOS管时都忽略了米勒效应，但是米勒效应引发的开通损耗时间增长现象明显，给MOS管正常工作带来非常不利的影响，本文将结合SILICON LABS的SI828X系列隔离驱动芯片，就MOS管开关时的米勒效应及减缓米勒效应的解决方法作一个简单的总结。

MOS管开关时的米勒效应，应从MOS管栅极驱动原理开始理解。MOS管的栅极驱动过程，可以简单的理解为驱动源对MOS管的输入电容（主要是栅源极电容C_GS）的充放电过程，如图1所示，当 C_GS达到门槛电压V_GS(TH)之后， MOSFET就会进入开通状态；当MOSFET开通后，V_DS开始下降，I_D开始上升，此时MOSFET进入饱和区；但由于米勒效应，V_GS会持续一段时间不再上升，此时Id已经达到最大，而V_DS还在继续下降，直到米勒电容充满电，V_GS又上升到驱动电压的值，此时MOSFET进入电阻区，此时V_DS彻底降下来，开通结束。

图1 MOSFET驱动开通过程中V_GS_、V_DS_，I_G_，I_D的波形图

可以看出由于米勒电容阻止了V_GS上升，从而也就阻止了V_DS的下降，可以变相理解为阻止了导通电阻R_DS_（ON）的下降，这样就会使损耗的时间加长，严重增加了MOSFET的开通损耗。

缓解米勒效应的解决方法一般有以下四种：

第一种方法是改变MOS管的门极电阻（R_GON和R_GOFF）,增大R_GON将减小门极充电的电压和电流，但会增加开通损耗，减小R_GOFF可以有效抑制寄生米勒电容引起的导通，但会引起杂散电感产生很高的过压尖峰和门极震荡；

第二种方法是在MOS管的GS之间增加电容，此方法驱动电源的功耗会增加；

第三种方法是采用负压驱动，但会增加电源设计的复杂程度，同时也会增大电路PCB板的设计尺寸和材料成本；

第四种方法是一种简单而有效的解决方案，就是采用有源米勒钳位技术，Silicon Labs针对这一应用推出了SI828X系列隔离驱动芯片，在其内部增加一个三极管用以钳位集电极电压，又称有源米勒钳位技术，如图2所示，即将米勒电容C_CG的电压通过CLMP引脚连接内部三极管快速释放，与方法一和方法二比较，有源米勒钳位技术能有效减小导通电阻，从而降低开关损耗。

图2 SI828X系列内部米勒钳位结构图

除此之外，Silicon Labs SI828x系列隔离驱动芯片可提供4A驱动电流，主要用于驱动功率管MOS管，被变频器、电机控制等广泛采用的。该隔离栅极驱动器基于Silicon Labs专有的CMOS隔离技术，可支持高达5KV的隔离电压，满足汽车级AEC-Q100标准；且内部带有DSAT去饱和检测功能，可立即关闭驱动的控制模式。

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型号- SI828X,SI828X FAMILY,SI8284,SI8281,SI8282,SI8283

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IGBT驱动波形中米勒平台产生的原理当IGBT在开关时普遍会遇到的一个问题即寄生米勒电容开通期间的米勒平台。米勒效应在单电源门极驱动的应用中影响是很明显的。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，这是一个潜在的风险，因此为了规避这个风险，有源米勒钳位功能应运而生。图1：下管IGBT因寄生米勒电容而导通有源米勒钳位解决方案要想避免RG优化、CG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，具体方法见如下图2。图2：有源米勒钳位采用外加三极管一般选用的隔离驱动芯片（以Silicon Labs Si8285为例）通过IGBT栅极和集电极间寄生电容C_CG及Si8285副边VH pin、外部RH及内部PMOS源极电阻RSS、内部NMOS等对IGBT门极电荷进行放电来达到软关断效果。直至最后退饱和工作完成，故障通过FLT pin隔离输出，反馈给MCU。

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目前针对LLC的驱动芯片应用在工业电源，通讯电源及车载DC-DC，OBC等电源，建议可以参考Silicon Labs的隔离驱动芯片Si823x，可以实现上下桥驱动，并且两路输出驱动是独立的，4A的峰值电流，5KV的隔离电压等级，支持-40℃-125℃的工作温度范围；参考资料链接如下：Si823x Data

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