功率MOSFET的栅极电荷特性

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功率MOSFET的栅极电荷特性

- p8 I# t- l. a6 c, O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。

6 T! ?1 ~; J6 Q$ D
% i3 x0 F8 d: b: |' `: A
/ }( E8 F+ c" [1 u$ K
Qg(10V)：VGS=10V的总栅极电荷。
1 i1 ^- b+ I7 G, M2 ~, F7 oQg(4.5V))：VGS=4.5V的总栅极电荷。
9 o) p1 Q2 ~& j3 N* `& }0 oQgd：栅极和漏极电荷
  d8 k  n6 I: ?1 p6 yQgs：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。
3 W; ~5 ?  C- d1 T

2 B, w7 h% q% r) G
（a）：简化的测试电路
6 B+ |  S0 _$ G9 x2 k9 o
- }" Q0 n! T6 k' D

（b）：测试电路和波形


! p) ^2 ^" E: W& {2 {3 Y. _, c

（c）：实际的波形
图1：栅极电荷的测试电路和波形
* i+ R5 P5 }6 o6 Q' {( Q
6 `+ }0 |% V) O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% s5 t1 k. W  ?
: d7 c1 b( C) W; o- {; {) }& G
（a）：ID由分立元件构成恒流源


1 y% b- I3 |/ W
+ F7 n" W: \) Q- R8 @: ~" e（b）：ID由电感构成恒流源

+ z" L6 q4 G7 F4 }图2：栅极电荷的测试电路形式

7 O' i1 p# R1 u2 D" v# a* E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。

# _, ?# l: g7 }8 G) z/ @/ g/ G3 b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。

# c/ M- D: f, N) j7 o# H5 Z1 ^根据电容的特性：
C·dv/dt = IG
3 ^; S2 K$ G0 Y6 K
可以得到：
Q = C·dV = IG·dT

. w( N# @4 l0 I! }; @) i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
6 ?6 E& P% o8 s! [( @Qg(4.5V) = IG·T3
3 g, M3 {% {) TQgd = IG·T2
Qgs = IG·T1

( L+ O3 Q7 o) C' ]7 Q% I; j6 @* l% I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。
0 D9 B& d0 G% |( H; _
7 u. b. C" s8 f8 S" J0 G# u
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。
  t# _) |/ }$ U, b) l5 j

, ~. E5 ~/ O9 |2 T' M- U/ s
* ?! ]3 B( H" C% i$ ^4 s
# Z0 H4 t) h+ }: B# l  G
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。
. \) Q& d! A+ k. J; l) Y% H% \6 T
, I$ k( T+ E, k+ {: U- ^' P0 X
4 G# `; s; K9 S* }+ P
' ]8 O4 t, Y# S6 R3 J) i; q

1 j4 J- j* I% q( T) C; v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。
: d0 X/ s6 i7 \; c- w; A7 E6 F8 x
, R( X2 X3 Y" }6 i6 i# L
/ O; j7 j% r5 n+ u( f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。
! B: w  W' o/ L' R3 H7 R) P' v

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