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[资料] 功率MOSFET的栅极电荷特性

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发表于 2017-1-13 15:53:22 |显示全部楼层
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。

640.webp.jpg

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。

640.webp (1).jpg
(a):简化的测试电路

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(b):测试电路和波形

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(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。

640.webp (4).jpg

(a):ID由分立元件构成恒流源

640.webp (5).jpg

(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。

640.webp (6).jpg

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。

640.webp (7).jpg

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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