功率MOSFET的栅极电荷特性 开关, 和源, 测量, 数据表, 恒流源

掘金小分队

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)：VGS=10V的总栅极电荷。
Qg(4.5V))：VGS=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IG给测试器件的栅极充电，漏极电流ID由外部电路提供，VDS设定为最大额定值的50%。漏极电流从0增加到ID过程中，分别测量VGS、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ID的恒流源，因此测试的电路有下面不同的形式。


（a）：ID由分立元件构成恒流源



（b）：ID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IG由测量仪器内部自带的恒流源提供，而ID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，ID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 = IG

可以得到：
Q = C·dV = IG·dT

在图1（b）中，对应着不同的VGS的电压，由波形或仪器读出相应的时间dT，IG已知，就可以分别算出不同的栅极电荷。


Qg(10V) = IG·T4
Qg(4.5V) = IG·T3
Qgd = IG·T2
Qgs = IG·T1

在实际的测试中，根据电容的大小，IG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：VDS=160V，VGS=10V，VGS：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VDS，对应的特性如下图所示，随着VDS的增加，栅极电荷的值会改变，特别是QGD，电压越高，QGD越大。





数据表中栅极电荷的特性，栅极使用恒流源来驱动，VGS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，VGS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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