栅极电荷的理解与应用

为了有效的使用功率器件，有必要了解规格书中的栅极电荷信息。栅极电荷信息一般出现在规格书的两个位置：一、在动态特性的表格中；二、在特性图中展示栅源电压与总栅极电荷特性曲线。本文阿基米德半导体来给大家分享栅极电荷的理解与应用。本文说明针对MOSFET，但也同样适用于IGBT。

（一）栅极电容与电荷基本概念

图1展示了MOSFET等效模型，总栅极电阻R_G，寄生电容C_GD, C_GS, C_DS，负载阻抗Z_L。

图2是规格书中的栅极电荷曲线，它显示栅源电压与注入栅极的电荷的函数关系。只要栅极驱动电流流入栅极，电荷就会在栅极中积累。需要注意的是在该函数关系中V_DD是一个参量，图1展示了V_DD施加的位置。对于不同的V_DD值，达到特定栅极电压所需的电荷是不同的。对于给定的V_DD，如果将一定数量的电荷注入栅极，电压将上升到一定水平。本文重点介绍充电过程，因为放电过程可以看作充电的反过程。对于特定的电路，采用不同的驱动器以满足不同的充放电要求，但涉及的物理原理是相同的。

如图3所示，Q_gs是曲线中从原点到第一个拐点的电荷，Q_gd是曲线中第一个拐点到第二个拐点的充电电荷，Q_g是从原点到曲线上V_GS等于峰值驱动电压的点的电荷。

图4展示了规格书中的电容曲线，是V_DS的函数：Ciss是输入电容，Coss是输出电容，Crss是反向传输电容。就图1模型中的端子间电容而言，Ciss=C_GS+C_GD，Coss=C_DS+C_GD和Crss=C_GD。Ciss、Coss和Crss随V_DS而变化，因为C_GD和C_DS随V_DS的变化而变化。

而C_GS是恒定的，如图5所示。通过C_GD和C_DS的电流取决于电容与其电压乘积的时间导数。

图3展示了V_GS关于栅极电荷的函数。当测量实际完成后，V_GS可以作为时间函数绘出，如图6所示，通过时间与电荷的关系两条曲线可以互相转换。在栅极电荷测量中采用恒流栅极驱动。为了确定有多少电荷被注入到栅极中，需要对进入栅极的电流进行积分。对于任何给定的时间段，从该时间段的开始到结束对栅极电流进行积分，决定了在此期间注入栅极的电荷量。如果我们用i_G表示栅极电流，Q表示进入栅极的电荷，t_b（开始时间）和t_e（结束时间）表示时间段，方程如下：

当采用恒定电流源时，该方程等效为：

其中Δt为恒定电流的积分区间，即t_e-t_b.通过该简化方程，栅极的恒定电流源可以将电压与时间曲线转化为电压与电荷曲线。此外漏极中的恒定电流消除了测量中引线电感的影响。

图6中的四个时间段由V_GS和V_GD的特征变化来描述。其中t=t0为原点，V_T为阈值电压，V_PL为V_GS中平台的左端，V_PR为同一平台的右端，以及V_DR——驱动电压的峰值。当驱动电路是电压源时，该峰值是驱动器输出端的标称电势。然而，如图6所示，当采用恒定的栅极电流时，驱动器是一个电流源，栅极电压的峰值被选择为10V，如数据表所述。在栅极电压的峰值处确定总栅极电荷。

（二）开通过程栅源电压上升的四个阶段

图6中的四个时间阶段将在下文中详细介绍。虽然将充电时间分为四个时段有助于对栅极电荷的理解，但数据表使用前面提到的三个电荷量来描述。图7显示了MOSFET在导通时的开关波形。图7中的时间尺度为μs而不是ns，因为设置的栅极驱动恒流源为较小的量级（1mA），这是测量栅极电荷的标准方法，在该方法中的测试负载为恒流源。

1. 从0至V_T（t0至t1）

V_GS从0上升至V_T；i_D为0；V_DS无变化。

当V_GS在这个值范围内时，0<V_GS<V_T，MOSFET未开启，V_DS恒定在电源电压V_DD的电平。在时间t=t0，当施加恒定栅极电流时，V_GS开始上升。V_GS的上升是由C_GS和C_GD的充电引起的。认为在这种状态下只有C_GS被充电是一种误解，因为如果栅极节点的电势上升，那么C_GD两端的电压就会发生变化，这需要电荷流入C_GD。在V_DS值不变的情况下，C_GS比C_GD大得多，因此流入C_GS的驱动电流比流入C_GD的驱动电流大得多。当V_GS=V_T在t=t1时，这段时间内V_GS的上升结束。到目前为止，漏极电流还没有开始流动。需要注意的是，C_GS不是电压的函数，而C_GD是。因此，在这段时间内，C_GS是恒定的，但C_GD略有增加，这可以从图5中理解。

2. 从V_T至V_PL（t1至t2）

V_GS由V_T上升至V_PL；i_D开始流动;V_DS开始降低；Qgs是从时间t0到时间t2注入栅极的电荷。阈值电压定义为i_D开始流动的栅源电压。忽略掉低电平、阈值前的电流。因此在t=t1时，i_D开始流动，V_DS开始以一定的变化率下降。时间周期在t=t2处结束，第一个拐点出现。

拐点的产生取决于产品C_GD·V_GD随时间的变化率。更一般的电容电流表达式在这里适用，因为电容C_GD是变化的。由于q=Cv，电容器中的电流方程是：

这是当C和v都随时间变化时必须使用的表达式。V_GD=V_GS-V_DS，是iD和Z_L的函数。任何i_D和Z_L的组合，使V_DS下降得足够快，进而导致V_GD增加，将导致拐点。如前所述，V_GD增加意味着它变得不那么负了。理论上，i_D实际上在左拐点发生后才会达到最大值，因为C_GD中的电流d(C_GD·V_GD)/dt决定了左拐点的发生。较小的i_D值和较大的Z_L值可以实现这一点。

3. 从V_PL到V_PR（t2至t3）

V_GS从V_PL逐渐上升至V_PR；在某个时刻，i_D达到最大值；V_DS在t₃时达到最小值；Q_gd是从t₂到t₃时间段内注入栅极的电荷。

当V_GS继续上升直至超过阈值电压V_T和平台电压V_PL，由于栅极电流转移的电荷的影响，V_GS的斜率将显著降低（甚至降低到零）。此时，V_GS进入平台区，如图6中的t=t₂所示。严格意义上，V_GS平台区的斜率取决于栅极驱动电流在栅-漏电容C_GD和栅-源电容C_GS之间的分配，而这种分配进一步取决于测试条件或电路条件。如果上升得足够快，平台区的V_GS将保持恒定：V_GS=V_PL=V_PR。在这种状态下，V_GS斜率为零而持续增加，意味着没有任何驱动电流流入C_GS，全部的驱动电流用于增大C_GD两端的电压降。如果V_GS斜率非零，则意味着部分驱动电流流入了C_GS，导致V_GS以较慢的速率上升。

在第一和第二时间段内，一部分驱动电流无法避免地流入C_GD；然而在第三时间段，通过提供足够的负载阻抗和足够大的输入电阻，有可能使几乎所有的驱动电流流至C_GD。也就是说，平台区的斜率取决于C_GS、C_GD以及驱动和负载电路元件。然而，无论V_GS平台区的斜率如何，当MOSFET完全导通时，到达t₃时刻。

在整个第三时间段内，V_DS持续下降（意味着V_GD上升），同时C_GD增加。当V_DS下降到时，V_DS停止下降，C_GD也停止增加。这里I_D的大写“I”表示漏极电流 i_D的峰值已经到达，标志着第三时间段的结束，v_GS开始以一个新的更高的速率上升。当v_GS=V_PR且t=t₃时，到达V_GS平台区的右端。

4. 从V_PR到V_DR（t3至t4）

V_GS从V_PR逐渐上升到V_DR；i_D保持最大值；V_DS保持最小值；Q_g是从t₀到t₄时间段内注入栅极的电荷.

当V_DS降至最小值时，V_GS退出平台区，并以一个新的速率上升。此时，由于V_DS不变，绝大部分的驱动电流再次流入C_GS，但斜率比第一个时间段小，因为此时C_GD比第一个时间段大得多，且其值接近C_GS。