米勒效应

弥勒效应是由开关器件的弥勒电容引起的，这种开关器件通常是电压型控制型器件，其结构决定了弥勒电容的存在，如我们最为常用的MOSFET和IGBT（注：三极管是三层PNP或NPN结构，存在集电结和发射结的PN结电容，并无弥勒电容，也就没弥勒效应），这种类型的器件通常在它们的栅极或门极加一定的电压，才可打开开关管流过电流。

弥勒效应在IGBT或MOSFET带感性开关负载时，弥勒平台表现比较明显，在开通或关断过程中门极电压VGE或VGS不再符合门极电压的RC充电模型，而是在开关过程中有一段时间内门极这个电压基本保持不变的现象，从驱动波形看会有一个平台电压。

注：弥勒平台的明显与否，和弥勒电容对门极放电（开通过程）的强弱有较大关系。

米勒效应原理

我们以MOSFET来说明弥勒效应原理，对IGBT来说其原理是相同的。常见的开关管负载是感性负载（由于系统通常有电感做滤波，因此这里需要十分注意开关管负载和系统输出端的负载往往是不一样的），这就是为什么我们用电感负载测试开关特性的原因，因为阻性开关负载和感性开关负载在开关特性上有所不同，从双脉冲测试中我们知道，在感性开关负载下，开关管的开通或关断过程电压变化和电流变化不是同步进行的，这是由于感性负载存在续流的缘故，导致换流需要一个过程（开关管和续流二极管电压此消彼长的过程），而相同条件下感性负载的开关损耗会更大。

形成原理：平台是由弥勒电容决定的，对MOSFET来说，由于漏源电压Vds（IGBT来说是时VCE）在开通某段时间内不断下降，形成电压变化率“dv/dt”，由于随着时间的变化电压在下降，所以dv/dt＜0，弥勒电容给门极放电，此时门极驱动的能量被弥勒电容吸收，如下图是开通过程中驱动电流通过弥勒电容的路径（红色虚线）。

弥勒过程的等效电路

如下分析，在开关管两端电压下降的过程中，弥勒电容Cgd两端的电压变化率可以用如下式子描述

这相当于Cgs充电电流被弥勒电容Cgd旁路，电流从弥勒电容流走，抵消dv/dt变化引起的能量变化，下图中门极的G点到地被一直箝位在Vds变化之前的一个值，只要存在dv/dt且这个值越大，这个值越稳定，看起来越平坦，这就是弥勒电容引起的电压平台，称之为弥勒平台。

还有当dv/dt消失后，开始过驱动充电，弥勒电容和门极电容等效为并联，又变为RC充电。

对于阻性负载和感性负载，弥勒效应表现有所差异，主要表现在平台出现的时刻，以及平台区间的差异上。

从上面分析可知弥勒效应原理，其主要因素是弥勒电容和开关管两端高电压变化引起的，对于关断，同理也会发生弥勒效应，分析方法是相同的，只不过高压的dv/dt＞0，高压通过弥勒电容给门极充电，这个过程也会有个平台，也叫做弥勒平台。

开关带阻性负载的弥勒效应

阻性负载，能量“即来即消失”，是耗能器件，不能存储能量，所以不存在开关管关断后释放能量的问题，若在桥式结构的双脉冲测试中，也就没有续流发生，也就不需要续流二极管。

电阻负载的另一个特性是，电流和电压是同步变化的，开关动态过程不存在“谁先谁后”的问题，也就没有彼此变化的延时特性。开通过程，电流上升的时间和电压下降的时间总是相等的，也就是电流变化停止，电压变化也就停止了，这也反映了电阻耗能的特点“即来即消”。

我们用下管带阻性负载进行模拟仿真，看看开通后的时序图，如下是原理图，负载电阻设置为20Ω，母线电压设置为200V，检测门极电压Vgs、开关管电压Vds和开关管电流Id。

从时序图可以看到，当超过开关管MOSFET开通阈值Vgs(th)后，电流Id和电压Vds开始同步变化，变化期间，门极电压看似平坦或出现一段缓慢变化的区域（图中a→b之间），当达到最大电流后，动态结束，门极继续充电至驱动电源电压。

平坦区门极电压的变化如下，这是开关管处于恒流区（MOSFT）或者说线性放大区（IGBT），也就是图中由②到③的过程，电流Id线性上升，电压线性下降，门极电压缓慢增加（近似线性）

g是MOSFET门极电压Vgs到漏极电流Id的跨导

随着时间的增加，最终Id(t)变为Id，Vds最终只有饱和压降或导通压降，过程是欧姆定律可以分析的。

门极近似平坦区，这是由于开关管电压下降率dv/dt引发的通过弥勒电容给门极放电引起的，阻性负载由于电流和电压同步变化的原因，相当于开通动态过程中，门极一边被充电，一边被弥勒电容放电，等效门极电容变大，为了维持漏极电流Id的增长，门极电压总是缓慢在升高，毕竟不像开通之前（①→②）面对的只有一个Cgs，RC充电自然快一些，但是随着dv/dt的出现，发生弥勒效应，等效电容变大，充电就变慢了。

对于关断，我们也可以看出，随着dv/dt的出现，高压通过弥勒电容给门极充电，使得门极电压难以下降，出现关断的类似平台。这里说类似，是因为感性负载的这个电压平台基本保持不变，看起来很平。

所以，门极电阻可以控制开通和关断速度，对阻性负载来说，只通过门极电阻就可以控制充放电，也就控制了开关，对于感性负载却不同。

开关带感性负载的米勒效应

前面我们通过双脉冲测试，得知了开关接感性负载时，存在开关管电流变化时，电压不变；电压变化时，电流不变。这是电感负载储能引起的续流引起的，开关管和续流管换流需要一个过程，这是我们一直强调的。

相比阻性负载，电感是储能器件，它是将电场能转换为磁场能进行存储，电感电流不发生突变，也是储能需要过程的体现，即能量存储与释放不是一瞬间完成的，所以感性负载必须预留续流路径，这个我们经常见到，比如继电器线圈两端的二极管以及变压器的去磁电路等都是为电感预留的续流回路。

如下是在双脉冲测试中测试原理图，之前我们已经讲过用IGBT测试双脉冲的过程，这里我们用MOSFET做为开关管进行来说明弥勒效应，道理完全相同。

如下是下管带感性负载时的测试仿真原理图，我们像测试双脉冲一样，依旧观察门极电压、漏极电流和开关管两端的电压，我们将上管简化为一个二极管做为电感续流。如下是开通过程的仿真波形，可以看出门极在达到开通阈值之后，开关管电流Id开始上升，但此时，开关管两端的电压Vds依旧是母线电压，并未改变，随着电感电流完全转移到开关中，二极管续流停止（换流结束），开关管两端电压开始下降，随着电压变化率的开始，弥勒效应发生，门极通过弥勒电容被放电，这时候可以看到，门极电压几乎保持不变，这就是弥勒平台。

感性负载下，什么时候形成弥勒平台？

我们从上面仿真波形图看的话，负载电感电流的看似保持不变，这是因为电感电流不突变，尤其是电感较大时，上升缓慢的缘故，实则是斜坡上升的，这个我们在测试双脉冲中可以明显看到，它不像电阻负载，在稳态后是一条直线。

如下图，我们对开关管电流波形进行整体展示，可以明显看出电感电流在直流电压下是斜坡上升的。

接着我们对弥勒平台电压进行计算，首先是超过阈值Vgs(th)，开关管电流开始上升，当上升到电感电流的初始值IL(0)时（前一个周期续流值），意味着续流二极管续流结束，开关管两端的电压不再被续流管箝位（查阅双脉冲测试开通和关断内容），开关管两端电压开始下降，这时候开始形成弥勒平台，平台电压值如下，我们假定跨导g是常数，IL(0)在开通过程中由于电感的作用基本保持不变，所以会维持一段平台电压。

弥勒效应过程分析

如下是开关带感性负载下，对开通过程中门极驱动波形的细节图展示，将按照开关管电流和电压的变化分为五个阶段，驱动控制了开关管输出，输出则在一定程度反馈了驱动的变化。

阶段分析：主要是感性负载下开通的过程，包含了开通的弥勒效应

预充电导通过渡阶段—从导通阈值之前到导通阈值（①→②），门极只是按照门极电阻Rg和门极电容Cgs进行RC充电，开关管没有形成导通沟道而导通；

开关管电流上升阶段—当达到开通阈值Vgs(th)时，开关管开始导通，此时可以看到开关管电流Id开始上升，但是开关管的Vds依旧保持了母线电压Vdc的水平，我们知道这是由电感续流造成的，导致开关管和续流管的换流需要一个过程，换流期间，负载电感被箝位至接近于零，所以开关管在此期间始终承受全部母线电压，这就是②→③的过程；

弥勒效应阶段—当开关管电流和续流电流相等时，换流结束，二极管不再续流，箝位作用消失，负载电感和续流二极管开始承受电压，这时也意味着开关管电压终于可以下降了，之前双脉冲测试中说过这是因为负载电压和开关管电压是互补的-“你升我降”过程，一旦开关管电压Vds下降，意味着产生了dv/dt，此时弥勒效应发生，并且一直持续到dv/dt消失，这个阶段是③→④，可以看出门极电压几乎保持了恒定，这就是弥勒平台。

感性负载下的弥勒平台电压更加恒稳，这是为什么？

由前面的的弥勒效应原理可知，由于弥勒电容两端dv/dt的变化，Cgd开始了放电，放电电流由门极电流进行补偿，即门极充电被旁路了，电容引起的电流可以用下式评估：

因此，感性负载下，门极电阻Rg单独控制了开通的dv/dt，因为门极电阻Rg和Cgd构成独立的回路，这就是我们之前讲过利用门极外置电容解耦di/dt与dv/dt的原因，因为感性负载下，开关管电流和电压变化在开通过程中是独立的—②→③电流上升变化，③→④电压下降变化。

过驱动阶段—dv/dt不再变化，又是RC充电阶段，这个阶段可以进一步减小开通饱和压降。

对于关断来说，同样也存在着弥勒效应，如下模拟仿真波形图可以看出

再回顾一下开关管关断的过程，首先是门极电压降到关断阈值，开关管的Vds从饱和状态开始上升，此时，负载电感和续流管承受电压开始下降（开关管和续流管是互补变化），直至续流管反向电压降至接近零，续流管才可进行续流，续流二极管续流开始的同时开关管电流开始下降直至最后完全换流到续流二极管。

关断的弥勒效应，这是因为关断过程，也存在dv/dt，且这时dv/dt>0，因此母线Vdc通过弥勒电容Cgd对门极进行充电，而此时电感电流的末端值IL(1)是几乎恒定的，弥勒充电电流补偿了门极充电放电电流，所以，门极电压保持了恒定，弥勒效应电流是平台电压和门极关断电阻的商。

弥勒充电电流可以用如下式子衡量

弥勒效应也是在开关管Vds开始变化的时候显现，弥勒平台电压如下：

所以，门极关断电阻能够控制关断的dv/dt，这正是由弥勒效应导致的，门极关断电阻Rg决定了弥勒电容Cgd的充电速度（RC充电模型）。

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