SiC MOSFET米勒平台/米勒效应详解

SiC MOSFET米勒平台/米勒效应详解

Author: PNJIE Date: 2025/11/03

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刚接触功率器件时对米勒平台的理解走了许多弯路，在此文详细分析记录米勒平台的一些个人的理解和分析

什么是米勒平台

对于sic mosfet器件来说，米勒平台是指器件在一定工况下开关时，栅极电压在开通/关断期间存在的：栅极电压保持一定值不变的现象，由于波形看起来像是一个平台，故称为米勒平台。

实测中米勒平台如图所示

为什么叫米勒

在学习过程中常常思考这个问题，经过各种网络搜索，找到如下结果：

https://www.mit.edu/~klund/papers/jmiller.pdf

链接中详细解释了Miller Effect的由来，感兴趣可以复制链接深入学习，这里总结如下：

John M. Miller在其1920年的著作《Dependence of the input impedance of a three-electrode vacuum tube upon the load in the plate circuit》描述了一种现象：放大器的等效输入阻抗会因为放大器及其输入输出串联的实际阻抗倍减，如果这个实际阻抗是容性的，则表现为等效输入电容倍增，这一现象被称为米勒效应。

如何理解MOSFET里的米勒平台

笔者认为可以从两种思考角度理解米勒平台：

• 一是通过米勒效应本身的原理出发，也就是放大器的等效输入电容会倍增，因此从输入看进去的米勒电容会非常大，导致电流一直给米勒电容充电，形成平台
• 二是通过电路分析，分析开关过程中的电压电流变化分析平台产生的实质

而在这之前，有一个关键问题需要解释清楚：为什么在SiC MOSFET开通时，是负载电流先上升，负载电压再下降，在关断时，负载电压先上升，负载电流再下降？

理解开关过程

最常用的双脉冲测试电路一般采用半桥电路或者BOOST拓扑电路：

即主动管为待测器件，被动管为MOS或者二极管，双脉冲的基本原理再次不再赘述，理想情况下的开关波形如下图所示：

• 开通过程：负载电流在最初通过电感和被动测体二极管/续流二极管续流，主动管电流为0，电压为Vds，栅极电压超过阈值电压后电流开始换流到主动管，主动管电流上升，当主动管电流上升至额定电流Ids后，负载电压才开始下降
• 关断过程：类似开通过程，主动管电压从0上升，上升至Vds以后，负载电流才开始下降

对于上述现象的本质解释：

• 开通：被动侧二极管电流完全换流至主动侧之前（下降到0之前），二极管两端的电压不可能上升，体二极管/续流二极管钳位负载电压Vds，所以电流完全换流之后，被动侧Vds才可以上升，主动Vds才可以下降，所以主动侧电流先升，电压后降。
• 关断：被动侧二极管两端电压完全降为0之前，二极管不可能会有电流流过，因此需要在被动侧Vds降为0，即主动测Vds升至负载电压后，电流才能开始变化，所以主动侧电压先升，电流后降。

Baliga在书中的解释也同上：

Although the drain current increases during the second phase, the drain voltageremains at the drain supply voltage (Vds) because the diode cannot sustain anyvoltage until all of the load current is transferred to the power MOSFET device

(Baliga《Fundamental of power devices》P443)

理解了上述过程后可以来分析米勒平台了

通过米勒效应理解米勒平台

对于密勒效应输入阻抗的倍减的原理分析在这个贴子中分析的十分清晰：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/438736226

这里对其中关键部分进行总结：米勒平台期间的MOSFET就相当于一个带电流负载的共源放大器，为什么可以如此等效？如上文分析，开通阶段电流上升至Id负载电压才开始下降，此时MOSFET工作在饱和区，等效为放大倍数为gfs(跨导)的放大器；关断阶段电流一直维持在Id，负载电压上升结束后Vds才开始上升，因此也可以等效，于是乎由于米勒效应，等效米勒电容Cgd被放大几百倍，所有栅极电流都用来给Cgd充电，因此栅极电压出现平台，不过读到这里，想必会产生一个问题，为什么负载电压变化发生在米勒阶段，如果从米勒效应，我认为可以如下解释：

• 开通：米勒电容两端分别是G和D，开通时D从Vds降到Vgs降到0，Vds下降到Vgs前，器件处于饱和区，仍可以等效为放大器，米勒效应存在，此时D和G存在压差，因此存在输入电流；当Vds下降到小于Vgs以及0，器件进入可变电阻区，不可等效为放大器，米勒效应消失，米勒结束
• 关断：类似开通，反过来分析即可，即米勒效应在Id下降时消失。

通过电路分析理解米勒平台

通过米勒效应分析的方法总觉得太抽象，好好的电容怎么突然就变大几百倍了，当然对初学者这个放大很容易和另一个知识点混淆：米勒电容Cgd随着Vds的变大会变小，这个知识点和米勒效应只能说是，完全没有关系，从电路角度分析米勒平台更直观更容易理解。

驱动回路的等效电路如图所示，以开通阶段为例详细分析：

• 栅极电压上升到米勒平台之前(0-t2)：器件从关断到超过Vth到开通，栅极电流通过栅极回路给Cgs充电，此时Cgd不构成回路，未给Cgd充电，开通后电流上升，上升至Id
• 米勒平台（t2 -t3）：电流上升至Id后，电压开始下降（前文已阐述电压电流不同步的原因，需理解），电压开始下降，即D点的电压开始从负载电压Vds下降到0，负载电压Vds的变化本质上是Cds被放电的过程。因此D点产生一个很大的电压变化率dvdt，对于sic mosfet来说通常有十几到几十V/ns，电压变化产生在Cgd和Cds上产生位移电流，假设Cgd和Cds为nF级，则产生的位移电流就需要十几A到几十A。从能量守恒的角度分析，这个电流从哪儿来呢，对于Cgd来说，位移电流的能量来源是驱动，栅极电流，而栅极电流的驱动能力往往不足够支撑几十A的位移电流，因此此时栅极电流几乎全部被Cgd抽走，没有多余的电荷支撑G点电压继续上升，因此Vgs维持在平台电压不变，产生米勒平台。
• 米勒平台结束(t3往后)，负载侧电压电流变化结束，栅极电压从米勒平台电压上升至Vg

一些公式（摘自Baliga书6.1.6）：

米勒平台电压：

电压变化率：

米勒平台时间：

关断阶段与开通类似，在此便不赘述，可自行分析。

重要知识点：米勒平台时间范围 = 负载电压变化时间范围

附录笔记（开通）

• Vgs < Vth && Vds = 0：栅氧加压，产生耗尽层，器件在截至区

• Vgs >Vth && Vds = 0：反型，形成沟道，器件工作在截至区

• Vgs > Vth && Vds >0 && Vds <(Vgs - Vth)：器件沟道开始变化，器件在欧姆区，正常开通的SiC MOSFET工作在此工况

• Vgs > Vth && Vds >(Vgs - Vth)：Vds = Vgs-Vth时器件预夹断，器件进入饱和区，Vds越高，夹断点越偏向源极，MOSFET在米勒平台期间：开通：从饱和区退回欧姆区，关断：从欧姆区进入饱和区进入截至区

无奖问答：若负载电压Vds=0，还会有米勒平台吗？