引言

了解寄生效应造成的威胁

每个 MOSFET 和 IGBT 都具有寄生电容。使用 TI 的 MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路基本原理 应用手册（图 1）中的以下模型，工程师可以了解此寄生电容的来源。

图 1 功率 MOSFET 模块

C_GS 和 C_GD 与 MOSFET 和 IGBT 的几何形状相关，而 C_DS 是寄生体二极管的基极-集电极二极管的电容。由于栅极与源极区域重叠以及栅极与源极端子之间的固有电容，C_GS 为栅极至源极电容。C_GD 是栅漏电容，也称为米勒电容。C_ISS 是栅源电容和栅漏电容之和，如以下公式所示。

C_ISS 是用于确定 MOSFET 或 IGBT 的开关速度以及驱动晶体管所需的功率的关键参数。C_GD 与高 dV/dt 一起将电荷推入栅极，从而导致误导通。

PCB 布线是寄生电感的主要来源。PCB 布线越长，寄生电感就越大，因为电感会随着导体长度的增加而增加。这些寄生效应相结合，在栅极驱动系统中形成以下谐振电路：

图 2 栅极驱动谐振电路分量

在通电时，开关关断且 dV/dt 可强制穿过电源开关；由寄生元件的谐振电路驱动。方程式 2 展示了这种关系。

与 C_GD（寄生电容）耦合的 dV/dt 会产生米勒电流。运行过程中的升温会导致电源开关的阈值电压降低，并且感应米勒电流会与寄生电感相结合，导致电源开关意外充电和导通。在半桥电路中，当一个 MOSFET 关断而另一个 MOSFET 导通时，MOSFET 的关断 漏极上的快速 dV/dt 会通过米勒电容产生电流，从而为栅极充电。该米勒电流会将栅极电压升高，接近或高于阈值，从而导致本应关断的开关意外导通。这种意外导通可能会导致发生两个电源开关都导通的击穿事件。击穿事件可能导致电路功率级损坏并导致系统完全失效。

在整个设计过程中，考虑电源开关的寄生电容至关重要。根据制造商的数据表，FET 制造商通常不会列出与我们的 C_GS 和 C_GD 项一致的寄生电容规格。使用推导出这些项的相关公式很重要，可在 MOSFET 和 IGBT 栅极驱动器电路的基本原理 应用手册中找到相关公式。此外，遵循元件的布局建议并尽可能减少 PCB 布线有助于降低谐振电路的影响。

单极与双极电源

在决定应用是否需要米勒钳位时，另一个重要的考量因素是设计中使用的是单极电源还是双极电源。如前所述，在开关关断事件期间，米勒电流最有可能引起并导致电源开关意外导通。如果设计中采用单极电源，并且栅极驱动器的负电源轨在 0V 时接地，这意味着感应电流只需在 0V 至电源开关阈值电压范围内产生电压尖峰。使用双极电源可以使栅极驱动器的负电源轨连接到 -8V 的假设电压。现在，dV/dt 条件需要在 -8V 到电源开关阈值电压之间引起电压尖峰。在设计中使用双极电源有助于完全消除对米勒钳位的需求，同时仍提供击穿保护。使用双极电源需要额外的隔离式偏置功能，这会增加系统成本并且需要额外的 PCB 空间。设计工程师在考虑使用单极电源还是双极电源时，必须权衡这一点。比较单极与双极电源的设计后果时，TI 建议为单极电源实施米勒钳位，以抵消电源开关意外开启所需的小电压尖峰。

米勒电荷注入的高频特性

由于米勒电荷注入的高频特性，VGS 关断环路的电感会影响电压上升程度，进而导致晶体管意外导通。随着频率增加，电感对电流的阻抗较高，从而导致电压升高。

图 3 高频米勒电荷注入对电压电平的影响

米勒钳位和内部与外部实现的目的

增大栅极电阻是降低或控制 dV/dt 以及限制米勒电流的一种方法，但这会导致功率损耗增加并降低系统效率。在设计中使用米勒钳位为米勒电流提供了一条替代的低阻抗路径，无需增加系统中的功率损耗。UCC217xx/-Q1 隔离式栅极驱动器系列提供内部 (CLMPI) 和外部 (CLMPE) 米勒钳位选项（图 4 和图 5）。

图 4 UCC21710 中的内部有源米勒钳位

图 5 UCC21732 中的外部米勒钳位

为了有效地将米勒电流引导至负电源电压（表示为 V_EE），必须将米勒钳位连接引脚尽可能靠近电源模块栅极放置，从而降低栅极和米勒钳位 FET 之间的布线电感。内部米勒钳位功能减少了外部电路的数量和 PCB 空间，从而降低整体系统成本。如果无法用短布线将 CLMPI 引脚路由到电源模块门，则必须使用 CLMPE。

驱动并联 FET 时，CLMPE 是比 CLMPI 更好的选择，因为布线更长，因此寄生效应更高。CLPME 可以靠近单个栅极放置，从而更大限度地减小负偏置的阻抗。米勒钳位的外部实现为客户提供了有关米勒钳位参数的更多灵活性。主要参数包括钳位阈值电压和米勒钳位下拉驱动强度。钳位阈值电压由栅极驱动器规格预先确定。

应用示例

根据相关信息和设计注意事项，可以针对设计需要米勒钳位的情况形成评估标准。想象一个使用单极电源和具有 4V 最大栅极阈值的 MOSFET 的示例电路。工程师必须分析电路中预期的最坏情况 dV/dt 条件。对于本应用示例，考虑在 1ns 内发生 50V 的变化。根据 FET 的数据表，可以根据 C_RSS 值后的 V_DS 与电容关系曲线来近似计算米勒电容。表中的数据表规格并非始终适用于应用的运行条件。因此，应始终根据 FET 关断时预期的最坏情况来遵循曲线。本例使用的是 C_RSS 20pF。将这些值代入方程式 3，可以得到方程式 4。

根据欧姆定律并使用 5Ω 的栅极电阻值，此示例会在功率 MOSFET 上产生 5V 尖峰。由于 MOSFET 的最大栅极阈值为 4V，因此该值会导致电源开关意外导通，并可能发生击穿事件，从而导致系统故障。

如前所述，米勒钳位为米勒电流提供了一条低阻抗路径。UCC5350MCDR 提供具有 0.26Ω 钳位电阻的集成式米勒钳位。在同一应用示例中，该值会在 MOSFET 的栅极上产生 0.26V 的尖峰，并避免意外导通。

图 6 比较了 UCC23514MDWVR VGS 中使用米勒钳位和不使用米勒钳位的峰值。使用和不使用米勒钳位时的峰值 VGS 分别为 3.36V 和 4.5V。使用米勒钳位可将峰值 VGS 降低 1.14V。

图 6 UCC23514 米勒钳位评估

具有内部和外部米勒钳位选项的器件

米6体育平台手机版_好二三四 (TI) 拥有多个具有内部米勒钳位的隔离式栅极驱动器系列和器件型号，UCC5350MCDR 是高性能栅极驱动器的一个很好的示例。

但是，UCC21732 的型号提供内部和 外部米勒钳位选项。

结语

是否要在设计中采用米勒钳位取决于系统寄生效应、使用的电源类型以及米勒注入的高频特性。米勒钳位必不可少，可避免 FET 意外导通（这会导致不可预测的行为并损坏器件）。如果设计中涉及快速开关晶体管，需要精确控制电压变化，则需要使用米勒钳位来提高系统的稳健性和可靠性。最后，通过仔细分析高频条件下的电路行为，可以深入了解在设计中添加米勒钳位的必要性和价值。