标题:
功率MOSFET的栅极电荷特性
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作者:
掘金小分队
时间:
2017-1-13 13:33
标题:
功率MOSFET的栅极电荷特性
在功率MOSFET的数据表的开关特性中，列出了栅极电荷的参数，包括以下几个参数，如下图所示。
Qg(10V)：V
GS
=10V的总栅极电荷。
Qg(4.5V))：V
GS
=4.5V的总栅极电荷。
Qgd：栅极和漏极电荷
Qgs：栅极和源极电荷
栅极电荷测试的原理图和相关波形见图1所示。在测量电路中，栅极使用恒流源驱动，也就是使用恒流源I
G
给测试器件的栅极充电，漏极电流I
D
由外部电路提供，V
DS
设定为最大额定值的50%。漏极电流从0增加到I
D
过程中，分别测量V
GS
、栅极充电时间，就可以计算得到栅极电荷值。
（a）：简化的测试电路
（b）：测试电路和波形
（c）：实际的波形
图1：栅极电荷的测试电路和波形
栅极电荷测试的电路中，需要用到二个恒流源：G极驱动充电的恒流源和提供I
D
的恒流源，因此测试的电路有下面不同的形式。
（a）：I
D
由分立元件构成恒流源
（b）：I
D
由电感构成恒流源
图2：栅极电荷的测试电路形式
图2（a）中，对G极恒流驱动充电的恒流源I
G
由测量仪器内部自带的恒流源提供，而I
D
由分立元件构成恒流源，其工作原理非常简单：就是利用功率MOSFET的工作于线性区的放大特性，调节G极的电压就可以调节电流的大小。不同的器件，所选择的外部恒流源的元件参数会有异差。
图2（b）中，I
D
由电感构成恒流源，相对而言， 这种方式电路结构简单，只是电流的精度不如上一种方式。
根据电容的特性：
C
·
dv/dt = I
G
可以得到：
Q = C
·
dV = I
G
·
dT
在图1（b）中，对应着不同的V
GS
的电压，由波形或仪器读出相应的时间dT，I
G
已知，就可以分别算出不同的栅极电荷。
Qg
(10V)
=
I
G
·
T
4
Qg
(4.5V)
=
I
G
·
T
3
Qgd
=
I
G
·
T
2
Qgs
=
I
G
·
T
1
在实际的测试中，根据电容的大小，I
G
的值设定为不同的值：10uA、100uA、 1mA。测试条件改变的时候，如改变ID或VDS，实际测量的栅极电荷也会改变。
图3中的测量结果，测量条件：V
DS
=160V，V
GS
=10V，V
GS
：2V/div，时间t：1us/div，电流大，米勒平台也高，栅极电荷值也稍有差异。
改变V
DS
，对应的特性如下图所示，随着V
DS
的增加，栅极电荷的值会改变，特别是Q
GD
，电压越高，Q
GD
越大。
数据表中栅极电荷的特性，栅极使用恒流源来驱动，V
GS
电压随着时间线性增加；实际的应用中，通常栅极使用恒压源来驱动，V
GS
电压随着时间以指数关系增加。
测量时使用恒流源驱动的原因在于容易计算栅极的电荷值。本质上，使用恒流源或恒压源驱动栅极，对于栅极电荷的测量没有严格意义上的影响。
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