功率MOSFET的栅极电荷特性

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功率MOSFET的栅极电荷特性

# B# |7 g; U& F6 r0 Z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。
8 I& \, H3 }# F' ]$ ?5 o8 c" U

- @: m( F, Y$ H$ O* d3 Z# N
3 X7 J2 L6 Q1 g- ]! ]/ ?( z# z
; i- U1 E# g. e/ d8 j6 c& vQg(10V)：VGS=10V的总栅极电荷。
" n0 l: q* h/ d& s7 S1 ]Qg(4.5V))：VGS=4.5V的总栅极电荷。
' R* r0 I5 w! R* J8 SQgd：栅极和漏极电荷
3 @2 I5 e; s4 L* |; k3 {  ^3 S, i6 YQgs：栅极和源极电荷

: v- {/ s/ S2 ]/ M. n0 O# d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。
+ K0 x+ _2 G* y# j: d
$ P# V2 R( u& W* E) S

（a）：简化的测试电路


' \3 _! S: R  [
（b）：测试电路和波形
$ G% M1 j! f( d

6 V) `0 F! p4 r
% u% n$ A* r& ]' I8 E; @6 q
（c）：实际的波形
图1：栅极电荷的测试电路和波形
# z8 _! e1 `4 U/ \" |* ]3 U
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。
, H8 ]- g% |+ |( y- c! N/ w

5 H$ X, O/ Q) |! n7 v' \（a）：ID由分立元件构成恒流源
' u9 C& W: s8 `; J9 x/ o, v2 D

/ v# l' j/ ^+ ~( t; G- A
（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。
9 q+ _) K4 y# n* E# _
. r0 R& ~! U, @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。

/ W: e2 \  q+ ~8 s  P0 l7 k. T7 e根据电容的特性：
" |8 u6 x0 F6 x, s+ DC·dv/dt = IG
/ X! k. a4 S2 D1 \# }! V
$ ]: ?. h1 l" u# }9 O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。
6 l  ]: O1 M- P( z0 |! J  h5 T

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

5 j; G0 c- q4 e- ~6 M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。

/ I+ k0 T( Z& T! Q+ i+ I& F

4 i# R3 Q1 q) P1 f
0 T5 b; t7 K7 b9 d) F5 l' N
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。
( P0 j0 h6 {6 _6 w9 a1 T
- `/ `- \' H3 t1 I. P( z+ g8 q

6 D4 H! g6 p- x3 D) s5 J2 O

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 m) n+ p5 e9 |% @; ]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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