在現(xiàn)代電力電子領(lǐng)域，碳化硅(SiC)MOSFET 憑借其卓越的性能，如高開關(guān)速度、低導(dǎo)通電阻、高耐壓能力等，正逐漸成為眾多應(yīng)用的首選功率器件。然而，正是由于這些獨特的性能特點，使得碳化硅 MOSFET 在實際應(yīng)用中面臨著一些特殊的挑戰(zhàn)，其中米勒效應(yīng)帶來的影響尤為突出，這也使得米勒鉗位對于碳化硅 MOSFET 顯得特別重要。

一、碳化硅 MOSFET 的特性

與傳統(tǒng)的硅基功率器件相比，碳化硅 MOSFET 具有顯著的優(yōu)勢。其開關(guān)速度極快，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的工作頻率，從而減小系統(tǒng)中磁性元件(如電感、變壓器)的尺寸和重量，提高功率密度。同時，碳化硅 MOSFET 的導(dǎo)通電阻更低，這意味著在導(dǎo)通狀態(tài)下的功率損耗更小，能夠有效提升系統(tǒng)的效率。此外，它還具備更高的耐壓能力，能夠適應(yīng)更高電壓的應(yīng)用場景。

然而，這些優(yōu)點也帶來了一些問題。例如，快速的開關(guān)速度會導(dǎo)致更高的電壓變化率(dv/dt)和電流變化率(di/dt)，這會引發(fā)一系列的寄生效應(yīng)，米勒效應(yīng)就是其中之一。

二、米勒現(xiàn)象及其危害

(一)米勒現(xiàn)象原理

在橋式電路中，功率器件會發(fā)生米勒現(xiàn)象。以半橋電路為例，當(dāng)下管 Q2 保持關(guān)閉，在上管 Q1 開通瞬間，橋臂中點電壓快速上升。橋臂中點 dv/dt 的水平，取決于上管 Q1 的開通速度。該 dv/dt 會驅(qū)動下管 Q2 的柵漏間的寄生電容 Cgd 流過米勒電流 Igd，計算公式為 Igd = Cgd×(dv/dt)，dv/dt 越大，米勒電流 Igd 越大。米勒電流 Igd 的路徑為：Cgd→Rgoff→T4→負電源軌，產(chǎn)生左負右正的電壓。這個電壓疊加在功率器件門極，Vgs 會被抬高，當(dāng)門極電壓超過 Vgsth(閾值電壓)，將會使 Q2 出現(xiàn)誤開通，從而造成直通現(xiàn)象。這種現(xiàn)象廣泛存在于功率器件中，包括 IGBT、硅 MOSFET 以及碳化硅 MOSFET。

(二)米勒現(xiàn)象對碳化硅 MOSFET 的危害

誤開通風(fēng)險增加：碳化硅 MOSFET 的閾值電壓 Vgs (th) 相對較低，一般在 1.8V - 2.7V 之間，比硅 MOSFET 和 IGBT 的開啟電壓低很多。并且，Vgs (th) 會隨著芯片結(jié)溫 TJ 的上升而下降，在高溫環(huán)境下，其閾值電壓將變得更低，這使得碳化硅 MOSFET 更容易受到米勒電流的影響而發(fā)生誤開通。一旦發(fā)生誤開通，上下管同時導(dǎo)通，會導(dǎo)致直流母線短路，產(chǎn)生極大的電流，可能瞬間燒毀器件，對整個系統(tǒng)造成嚴重破壞。

開關(guān)損耗增大：即使沒有發(fā)生完全的誤開通，米勒效應(yīng)導(dǎo)致的柵極電壓波動也會增加開關(guān)過程中的損耗。在開關(guān)過程中，額外的米勒電流需要被充放電，這增加了柵極驅(qū)動電路的負擔(dān)，消耗了額外的能量，降低了系統(tǒng)的效率。

電磁干擾增強：由于米勒效應(yīng)引發(fā)的電壓和電流的快速變化，會產(chǎn)生較強的電磁干擾(EMI)。這些電磁干擾不僅會影響同一電路板上其他電子元件的正常工作，還可能通過傳導(dǎo)和輻射的方式對周圍的電子設(shè)備造成干擾，降低整個系統(tǒng)的電磁兼容性(EMC)。

三、碳化硅 MOSFET 特別需要米勒鉗位的原因

(一)開關(guān)速度快加劇米勒效應(yīng)

碳化硅 MOSFET 的開關(guān)速度比傳統(tǒng)的硅 MOSFET 和 IGBT 快得多。如前所述，米勒電流 Igd 與 dv/dt 成正比，dv/dt 越大，米勒電流就越大。碳化硅 MOSFET 快速的開關(guān)速度使得在開關(guān)過程中產(chǎn)生的 dv/dt 非常高，可能達到 50kV/μs 以上，這極大地增加了米勒電流的大小，使得米勒效應(yīng)在碳化硅 MOSFET 中更加嚴重。相比之下，硅基器件的 dv/dt 相對較低，米勒效應(yīng)的影響程度也相對較小。

(二)閾值電壓低且對溫度敏感

碳化硅 MOSFET 較低的閾值電壓 Vgs (th) 以及其隨溫度升高而降低的特性，使其對米勒效應(yīng)的敏感度大大增加。在高溫工作環(huán)境下，碳化硅 MOSFET 的閾值電壓進一步降低，原本就容易受到米勒電流影響的柵極，在這種情況下更容易被抬高到閾值電壓以上，從而引發(fā)誤開通。而硅 MOSFET 和 IGBT 的閾值電壓較高，對溫度的敏感性相對較低，在面對米勒效應(yīng)時具有更強的抗干擾能力。

(三)驅(qū)動負壓容忍度低

傳統(tǒng)的硅 MOSFET 和 IGBT 在驅(qū)動電路中通常采用構(gòu)建負電壓關(guān)斷的方法來減少誤開通的風(fēng)險，并且它們的門極耐負壓極限較高，可達 - 30V。然而，碳化硅 MOSFET 的門極耐負電壓能力較低，只有 - 8V 左右，這使得在實際應(yīng)用中，碳化硅 MOSFET 驅(qū)動負電壓通常只能維持在 - 2～-4V 的水平，使用負電壓進行關(guān)斷的幅度明顯小于硅基器件。在這種情況下，僅依靠負電壓關(guān)斷難以有效抑制米勒效應(yīng)帶來的誤開通風(fēng)險，因此需要額外的措施，如米勒鉗位來保障器件的可靠運行。

四、米勒鉗位的工作原理及優(yōu)勢

(一)工作原理

在碳化硅 MOSFET 的驅(qū)動電路中加入米勒鉗位功能，通常是通過在驅(qū)動芯片內(nèi)部設(shè)置專門的電路來實現(xiàn)。以常見的驅(qū)動芯片為例，其米勒鉗位管腳直接連接到碳化硅 MOSFET 的門極。當(dāng)出現(xiàn)米勒電流時，串?dāng)_電流 Igd 會流經(jīng) Ciss→Rg→Q3 再到負電源軌，形成一條更低阻抗的門極電荷泄放回路。驅(qū)動芯片內(nèi)部比較器具有特定的翻轉(zhuǎn)電壓閾值，例如 2V(相對芯片對地電壓)。在碳化硅 MOSFET 關(guān)斷期間，當(dāng)門極電壓高于 2V 時，比較器輸出從低電平翻轉(zhuǎn)到高電平，MOSFET (Q3) 被打開，使得門極以更低阻抗拉到負電源軌，從而保證碳化硅 MOSFET 的負電壓被更有效關(guān)斷，達到抑制誤開通的效果。

(二)優(yōu)勢

有效抑制誤開通：通過為米勒電流提供低阻抗的泄放路徑，米勒鉗位能夠迅速將因米勒效應(yīng)而抬高的柵極電壓拉回安全范圍，避免門極電壓超過閾值電壓，從而有效抑制碳化硅 MOSFET 的誤開通現(xiàn)象，大大提高了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

增強系統(tǒng)穩(wěn)定性：減少了因誤開通導(dǎo)致的直通短路風(fēng)險，降低了系統(tǒng)發(fā)生故障的概率，保障了整個電力電子系統(tǒng)能夠在各種工況下穩(wěn)定運行。

提升系統(tǒng)效率：由于抑制了米勒效應(yīng)帶來的額外開關(guān)損耗，使得系統(tǒng)在開關(guān)過程中的能量損失減少，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。尤其在高頻應(yīng)用中，這種效率提升更為顯著，能夠充分發(fā)揮碳化硅 MOSFET 高開關(guān)速度的優(yōu)勢。

綜上所述，由于碳化硅 MOSFET 自身的特性，包括快速的開關(guān)速度、低閾值電壓且對溫度敏感以及較低的驅(qū)動負壓容忍度等，使得米勒效應(yīng)在其應(yīng)用中帶來的危害更為嚴重。而米勒鉗位能夠針對這些問題，通過特定的工作原理，有效地抑制米勒效應(yīng)，保障碳化硅 MOSFET 的可靠運行，提升系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。因此，米勒鉗位對于碳化硅 MOSFET 而言顯得特別重要，是碳化硅 MOSFET 驅(qū)動電路設(shè)計中不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。在未來，隨著碳化硅 MOSFET 在新能源汽車、光伏儲能、工業(yè)電源等領(lǐng)域的應(yīng)用不斷拓展，米勒鉗位技術(shù)也將不斷發(fā)展和完善，以更好地適應(yīng)各種復(fù)雜的應(yīng)用需求。