为什么你的SiC模块老是炸？这个细节九成人忽略了

SiC Driver Course

SiC驱动小讲堂

（一）米勒钳位

Introduction

引言

近年来，以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体技术正迎来爆发式增长。SiC MOSFET 以前所未有的速度从实验室迈向产业化，凭借其高频高效、低损耗、耐高温的卓越特性，在电动汽车、可再生能源、工业电源等高压应用领域，正加速取代传统的硅基功率器件。

然而，再强大的“肌肉”也需要灵敏的“神经”来支配。对于SiC模块而言，一款精准、可靠的驱动，正是这至关重要的“神经”。它连接着控制“大脑”（上位机），指挥着功率“肌肉”（SiC模块）的每一个动作。一旦驱动出现问题，整个系统便可能陷入失控。

那么，与大家所熟知的IGBT驱动相比，为SiC这把“利器”量身打造驱动时，我们需要特别关注哪些不同？又该如何规避风险，充分发挥其性能优势？基于多年的深耕与积累，飞仕得把我们在驱动研发的实践心得，凝练成一系列专题文章，陆续与大家分享。

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米勒钳位 Miller Clamping

我们首期要探讨的，是SiC驱动中一个至关重要的保护功能：米勒钳位。

要理解它为何必不可少，以及它究竟如何发挥作用，我们首先需要关注一个与之密切相关的现象——桥臂串扰。在一个典型的半桥电路中，上下两个桥臂的SiC MOSFET（为便于理解，下文统称为“上管”和“下管”）交替开通与关断。当上管开通时，下管便成为其“对管”，反之亦然。那么，什么是桥臂串扰呢？问题的核心在于对管栅极（G）与漏极（D）之间的米勒电容。当对管的漏极电压发生剧烈变化时（例如上管开通导致下管漏极电压急速上升），会通过米勒电容产生一个不可忽视的电流，注入到对管的栅极。这个突如其来的电流，会严重干扰栅极原本稳定的关断电压，导致其电压异常升高或降低，甚至达到开通阈值或者负压极限，从而引发对管的误导通或者栅极损坏。桥臂串扰对栅极的影响如下图所示：

我们以半桥电路中的一个具体场景为例：当上管（TOP）开通时，交流端（AC）的电压会从0V急速攀升至母线电压。在SiC器件中，这一过程的电压变化率（dv/dt）极高，可轻松超过10000 V/μs。如此剧烈的电压变化，会通过下管（BOT）的栅漏电容（Cgd）——即米勒电容，耦合出一个显著的电流 Igd。该电流会注入下管的栅极，从而抬升其栅极电压。若此电压超过器件的开通阈值，就会导致下管发生误导通，造成上下管桥臂直通，引发极大的短路电流，甚至导致模块过流损坏。同理，在上管关断的过程中，AC端电压会从母线电压急速下降至0V。此时，同样会通过Cgd耦合出一个反向的Igd电流，在下管栅极上耦合出一个负向电压。如果该负压的绝对值超过了栅极的耐压阈值，则可能直接损伤栅极氧化层，导致器件永久性失效。

在完成理论分析后，我们来看一组实际的双脉冲测试波形，直观验证米勒钳位的作用。本次测试中，驱动的关断电压设置为-6V。

我们进行了两组对比测试：一组启用米勒钳位，另一组禁用米勒钳位，并将两者的波形在示波器上进行叠加分析。我们重点观察上管的第一次关断与第二次开通这两个关键瞬态过程。可以清晰地看到没有米勒钳位的下管栅极电压出现了明显的正向抬升和负向拉低，而有米勒钳位的电压则始终保持相对稳定。

具体来看实测数据，这与我们之前的理论分析完全吻合，上管关断时，无米勒钳位的下管栅极出现负压过冲，电压低至-11.2V。上管开通时，其下管栅极又出现正压过冲，电压被抬升至0.52V。由于功率回路中的寄生电感的存在，我们还能观察到后续波形中的震荡。

然而，在上述分析中，还有一个关键因素未被纳入考量：栅源电容（Cgs）对栅极电压的影响。事实上，在栅极电压快速变化的过程中，Cgs上同样会产生耦合电流Igs。为了更精确地分析正压过冲时的整体情况，我们可以将此时的栅极回路等效为如下电路，并推导出对应的公式：

我们取dv/dt趋近于无限大，通过解方程最后可以得到Vgs近似为：

基于以上公式进行推导，Vgs负向过冲的最大值也可通过类似方式求出（取公式的负值即可）。分析结果清晰地揭示了一个关键关系：电压过冲的幅值与Cgs成反比。也就是说，增大Cgs的容值，确实是抑制过冲的一种直接手段。然而，这种方法代价高昂——Cgs的增大会显著增加栅极电荷，从而拖慢开关速度，导致开关损耗上升。 这恰恰与选用SiC模块追求高频、高效的核心优势背道而驰。因此，在工程设计中，我们通常不推荐通过简单增加栅极电容的方式来抑制过冲。

综上所述，米勒钳位在高压、高速的开关瞬态中扮演着至关重要的角色。其核心使命，就是通过实时抑制因桥臂串扰引发的栅极电压正向抬升（防误导通） 与负向过冲（防栅极损伤），从根本上保障系统的可靠性与运行效率。那么，实现这一关键功能的设计精髓何在？答案清晰而直接：为干扰电流额外开辟一条独立、快速的低阻抗泄放路径，从而将栅极电压牢牢钳位在安全的稳定区间内。

目前，飞仕得所有自研的SiC驱动产品，均基于全新的数字ASIC技术平台打造，并全系标配了数控米勒钳位功能，从硬件层面为系统的鲁棒性与高效率提供了坚实保障。飞仕得采用的数控米勒钳位方案，在硬件实现上极为精简，如下图所示，仅需一颗独立控制的MOS管就能实现功能。控制信号直接来自于飞仕得自研的数字ASIC芯片。

相较市场上常见的方案，所需器件数量减少高达80%，这不仅大幅提升了集成度，更从源头上降低了潜在失效率，系统可靠性显著增强。在智能控制层面，该技术同样展现出卓越优势。它基于关断信号检测，并采用固定延时(tAMC_ON)触发机制，能够精准区分正常的开关动作与有害的信号干扰，从而从根本上杜绝了因栅极电压波动而导致的误触发，确保保护动作的准确与可靠。下图描述了数控米勒钳位的具体时序逻辑。

此外，其参数可编程的特性，打破了传统硬件方案的固有限制。用户可根据具体器件的特性与系统工作条件，灵活配置关键参数，轻松应对高度定制化的应用场景，实现系统性能的精准优化。

除了米勒钳位，也有其他方法来降低栅极串扰的影响。例如增大栅极和源极之间的电容，改变栅极电阻，在栅极增加共源电感等，由于篇幅原因我们不做过多的展开。

此外需要说明的是，在传统的IGBT驱动设计中，通常仅依靠负压关断即可确保器件可靠关断，而无需专门配置米勒钳位。然而，随着技术进步，当前市场上部分高速IGBT的开关dv/dt已逼近10000V/μs。在此类高压高速应用下，实测表明，桥臂串扰引发的误导通风险已不可忽视。因此，即便对于IGBT，基于实际测试情况为其驱动添加米勒钳位，也正成为提升系统鲁棒性的必要设计考量。

下表列举了目前搭载最新ASIC平台的SiC驱动型号以及描述：

Summary

本章小结

如果您需要得到更进一步的信息，请随时联系飞仕得，我们的专业团队会帮助您进行选型和必要的技术沟通。

参考文献：

[1] 张政江. 宽禁带半导体高速磁隔离驱动技术研究[D]. 合肥工业大学, 2021.

来源：Firstack智能驱动

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