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功率MOSFET的栅极电荷特性

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    功率MOSFET的栅极电荷特性

    6 @4 ^# C0 o( ~* h# D% x* Y7 \8 r7 x5 w4 T
    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。
    0 w7 T* {5 s/ X% |' `  q5 b2 J) N+ v& `
    : J6 g' ?! ^# k# S7 H1 B, f3 P1 N& |

    ; \. ?2 k& S1 ^% i# v& r
    3 M# ], s  |" l2 m) bQg(10V):VGS=10V的总栅极电荷。+ r2 h# w2 ^8 m
    Qg(4.5V)):VGS=4.5V的总栅极电荷。
    % {' u9 @$ k& i' |Qgd:栅极和漏极电荷
    , K+ ^3 n9 k! h: s1 m( p. n3 C+ GQgs:栅极和源极电荷
    & ?3 S/ n2 a) |; z( b; F& f
    : }+ E) I8 A! J2 t4 L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。
    / G# t$ `3 H& Z: @' q
    ; x6 W: b' R$ y+ p+ W$ Z! W- W / o, p) v7 h6 w7 ]

    ! D" n# i& ^# z& M2 c+ Z+ s(a):简化的测试电路6 D( V/ U  e- M' A' w% j) G) [
    . G& V: ?" `$ ?* a2 i! c

    : [6 K5 J; @% d* s! w& d: {
    8 j! X& c, A. ^( V(b):测试电路和波形
    # Z- i. ^. O4 T/ J7 ~0 r8 e, i: i; o. l( \) J4 Z8 G; P& N2 y$ r
    6 [0 ~/ v3 f8 A4 \

    , ?. d3 D- \# ^( g0 g! j7 @( h) J( g3 Y# X9 F
    (c):实际的波形
    4 Q+ `0 J6 u: L: v# g4 N+ {图1:栅极电荷的测试电路和波形
    , J; ?0 O, B! `; ?# V% P
    : J3 [: x- c8 b1 f  K9 H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。
    5 B4 ?/ W8 T5 \3 H
    7 F* g. v  D  p- t7 b9 G2 N3 b ) I5 I! ~. N# O# X% A
    (a):ID由分立元件构成恒流源
    - i; K% ^& h# b- ]1 p4 ~4 q) F; W$ }* a$ k7 t0 `' u$ q. T) D$ x

    * a& f, h3 ?6 c% f# a; @6 h1 r
    7 U  p9 j0 y  Y2 h" {6 \(b):ID由电感构成恒流源" y* H3 j# }; `% f- W8 m$ D% Q1 y
    # u% w7 y: V6 J( @% k* p
    图2:栅极电荷的测试电路形式3 a& M6 G2 p9 W" k7 V1 B1 }! V

    $ O% D, X0 d) r2 C2 o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。6 B) O- j1 G/ o9 Q( ?
    0 q, X" Q* h0 P4 K0 P$ H7 y
    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。3 L6 O  g9 d) k3 A

    5 P# v: u. O: l2 [( q) M3 {根据电容的特性:
    4 a7 Q+ O- `" D6 JC·dv/dt = IG. W8 W' K' o3 W1 c0 X
    " O) [/ m0 s3 `! C" @
    可以得到:
    " A6 {$ Y" a5 d+ u$ v; BQ = C·dV = IG·dT
    * B' K. V0 H) ~, {& N1 i9 G: f) \0 P. c' Z
    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。4 G$ A2 M4 }3 L; a& {2 ]/ w7 x; m

    5 Y3 g2 ?4 |1 m$ B) x& t+ ]1 R) }0 Z5 e
    Qg(10V) = IG·T4
    , y7 c" R7 E$ JQg(4.5V) = IG·T3
    1 r1 r5 \3 a8 Z; C6 w+ j% U7 QQgd = IG·T23 ]! L2 c5 L& q, ^' l
    Qgs = IG·T1
    1 m5 y5 Y8 a4 O$ x. D  o- [" ?, G9 J; n6 `6 e) X! ?% s
    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。- R+ I8 }' Q; R  O2 C+ j

    - F, @$ a- N6 Z( R4 K; q! D6 C1 w8 |, K, I' B1 f
    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。
    ; S) m7 x& B* O5 m) K* s! r1 G% }* i! O$ N

    0 H1 x0 ]( L& U* t
    ) m3 t6 |, z' |: E5 m' M! a3 f* D; u, [  [0 u

    ; P, J$ Y/ m: z7 R8 U) v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。
    # G+ e3 D4 k* N/ o% F; a1 W% W+ T6 @# ~: ~! o3 U

    ; T/ M+ _: a! R2 ?7 A5 y& A : q  L7 Z* I; K

    ) V" ~. p2 k$ e; ]* |0 P7 K- i. R0 c4 C8 L& l& y
    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。
    9 Z( M* R- `8 j5 {! ]% l+ R+ C# {/ |

    7 D6 O0 j. [6 y/ Z) `8 x+ p* N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。
    * p2 X) T: _( O$ K; E. ^( @# C
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