柵極電荷

在功率半導(dǎo)體器件中，柵極電荷（Gate Charge）是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，直接影響器件的開(kāi)關(guān)性能、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)以及整體效率。無(wú)論是MOSFET、IGBT還是寬禁帶半導(dǎo)體器件（如SiC和GaN），柵極電荷的大小和特性都決定了器件在高頻、高功率應(yīng)用中的表現(xiàn)。

1.柵極電荷的基本概念

柵極電荷（QG）是指在功率半導(dǎo)體器件（如MOSFET或IGBT）的柵極施加電壓時(shí)，為建立導(dǎo)電溝道所需的電荷總量。這一過(guò)程涉及柵極電容的充放電，其電荷量直接影響器件的開(kāi)關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)功耗。

柵極電荷通常由三部分組成：

• QGS（柵源電荷）：用于克服柵源電容（CGS）并達(dá)到閾值電壓（VTH）的電荷。

• QGD（柵漏電荷，又稱米勒電荷）：用于對(duì)柵漏電容（CGD）充電，直至器件完全導(dǎo)通或關(guān)斷。

• QGC（總柵極電荷）：即QGS + QGD，代表完全導(dǎo)通器件所需的總電荷量。

柵極電荷與開(kāi)關(guān)特性的關(guān)系

柵極電荷的大小直接影響器件的開(kāi)關(guān)速度：

• 高QG：需要更大的驅(qū)動(dòng)電流或更長(zhǎng)的充電時(shí)間，導(dǎo)致開(kāi)關(guān)損耗增加。

• 低QG：可實(shí)現(xiàn)更快開(kāi)關(guān)速度，但可能受限于寄生參數(shù)（如電感）的影響。

在高速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中（如開(kāi)關(guān)電源或逆變器），優(yōu)化柵極電荷是提高效率的關(guān)鍵。

2.柵極電荷的測(cè)量方法

2.1 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試電路

柵極電荷的測(cè)量通常采用恒流源驅(qū)動(dòng)法，測(cè)試電路包括：

• 恒流源：提供穩(wěn)定的充電電流（IGG）。

• 電壓探頭：監(jiān)測(cè)柵源電壓（VGS）變化。

• 電荷積分器：通過(guò)積分電流-時(shí)間曲線計(jì)算QG。

測(cè)試時(shí)，柵極電壓從0V升至目標(biāo)驅(qū)動(dòng)電壓（如10V或15V），記錄VGS隨時(shí)間的變化曲線，進(jìn)而提取QGS、QGD和QGC。

2.2 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的柵極電荷曲線

器件數(shù)據(jù)手冊(cè)通常提供柵極電荷（QG）與柵源電壓（VGS）的關(guān)系曲線。該曲線的斜率變化點(diǎn)對(duì)應(yīng)QGS和QGD的分界：

• 初始線性段：代表QGS，對(duì)應(yīng)CGS充電階段。

• 平臺(tái)區(qū)：代表QGD，即米勒效應(yīng)主導(dǎo)階段。

• 后續(xù)上升段：代表柵極電壓繼續(xù)升高至完全導(dǎo)通。

3.柵極電荷的影響因素

3.1 器件結(jié)構(gòu)參數(shù)

• 柵極面積：面積越大，柵極電容（Ciss = CGS+ CGD）越高，QG越大。

• 氧化層厚度：薄氧化層可降低閾值電壓，但可能增加?xùn)艠O漏電流。

• 溝道長(zhǎng)度：短溝道器件通常具有更低的QGD，有利于高頻應(yīng)用。

3.2 工作條件

• 驅(qū)動(dòng)電壓（VGS）：更高的VGS需要更多的QGC，但可降低導(dǎo)通電阻（RDS(on)）。

• 溫度：高溫下，載流子遷移率下降，可能導(dǎo)致柵極充電時(shí)間延長(zhǎng)。