當(dāng) IGBT 在開關(guān)時(shí)普遍會(huì)遇到的一個(gè)問題即寄生米勒電容開通期間的米勒平臺(tái)。米勒效應(yīng)在單電源門極驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用中影響是很明顯的。基于門極G 與集電極C 之間的耦合，在IGBT 關(guān)斷期間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很高的瞬態(tài)dv/dt，這樣會(huì)引發(fā)門極VGE 間電壓升高而導(dǎo)通，這是一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)(如圖1)。

寄生米勒電容引起的導(dǎo)通

在半橋拓?fù)渲校?dāng)上管IGBT(S1)正在導(dǎo)通， 產(chǎn)生變化的電壓dV/dt 加在下管IGBT(S1)C-E 間。電流流經(jīng)S2 的寄生米勒電容CCG 、門極驅(qū)動(dòng)電阻RG 、內(nèi)部集成門極驅(qū)動(dòng)電阻RDRIVER ，如圖1 所示。電流大小大致可以如下公式進(jìn)行估算：

這個(gè)電流產(chǎn)生使門極電阻兩端產(chǎn)生電壓差，這個(gè)電壓如果超過IGBT 的門極驅(qū)動(dòng)門限閾值，將導(dǎo)致寄生導(dǎo)通。設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該意識(shí)到IGBT 節(jié)溫上升會(huì)導(dǎo)致IGBT 門極驅(qū)動(dòng)閾值會(huì)有所下降，通常就是mv/℃級(jí)的。

當(dāng)下管IGBT(S2)導(dǎo)通時(shí)，寄生米勒電容引起的導(dǎo)通同樣會(huì)發(fā)生在S1 上。

減緩米勒效應(yīng)的解決方法

通常有三種傳統(tǒng)的方法來解決以上問題：第一種方法是改變門極電阻(如圖2);第二種方法是在在門極G 和射極E之間增加電容(如圖3);第三種方法是采用負(fù)壓驅(qū)動(dòng)(如圖4)。除此之外，還有一種簡單而有效的解決方案即有源鉗位技術(shù)(如圖5)。

獨(dú)立的門極開通和關(guān)斷電阻

門極導(dǎo)通電阻RGON 影響IGBT 導(dǎo)通期間的門極充電電壓和電流;增大這個(gè)電阻將減小門極充電的電壓和電流，但會(huì)增加開通損耗。

寄生米勒電容引起的導(dǎo)通通過減小關(guān)斷電阻RGOFF 可以有效抑制。越小的RGOFF 同樣也能減少IGBT 的關(guān)斷損耗，然而需要付出的代價(jià)是在關(guān)斷期間由于雜散電感會(huì)產(chǎn)生很高的過壓尖峰和門極震蕩。

增加 G-E 間電容以限制米勒電流

G-E 間增加電容CG 將影響IGBT 開關(guān)的特性。CG 分擔(dān)了米勒電容產(chǎn)生的門極充電電流，鑒于這種情況，IGBT 的總的輸入電容為CG||CG’。門極充電要達(dá)到門極驅(qū)動(dòng)的閾值電壓需要更多的電荷(如圖3)。

因?yàn)?G-E 間增加電容，驅(qū)動(dòng)電源功耗會(huì)增加，相同的門極驅(qū)動(dòng)電阻情況下IGBT 的開關(guān)損耗也會(huì)增加。

采用負(fù)電源以提高門限電壓

采用門極負(fù)電壓來安全關(guān)斷，特別是IGBT 模塊在100A 以上的應(yīng)用中，是很典型的運(yùn)用。在IGBT 模塊100A 以下的應(yīng)用中，處于成本原因考慮，負(fù)門極電壓驅(qū)動(dòng)很少被采用。典型的負(fù)電源電壓電路如圖4。

增加負(fù)電源供電增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度，同時(shí)也增大設(shè)計(jì)尺寸。

有源米勒鉗位解決方案

為了避免RG 優(yōu)化問題、CG 的損耗和效率、負(fù)電源供電增加成本等問題，另一種通過門極G 與射極E 短路的方法被采用來抑制因?yàn)榧纳桌针娙輰?dǎo)致的意想不到的開通。這種方法可以在門極G 與射極E 之間增加三級(jí)管來實(shí)現(xiàn)，在VGE 電壓達(dá)到某個(gè)值時(shí)，門極G 與射極E 的短路開關(guān)(三級(jí)管)將觸發(fā)工作。這樣流經(jīng)米勒電容的電流將通過三極管旁路而不至于流向驅(qū)動(dòng)器引腳VOUT。這種技術(shù)就叫有源米勒鉗位技術(shù)(如圖5)。

增加三級(jí)管將增加驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度。

結(jié)論

以上闡述的四種技術(shù)的對(duì)比如下表1

在最近幾年時(shí)間里，高度集成的門極驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)包含有源米勒鉗位解決方案并帶有飽和壓降保護(hù)、欠電壓保護(hù)。