栅极电荷、非线性电容与动态导通电阻

器件静态导通电阻很低,仍可能产生可观开关损耗;栅极和输出端需要搬运电荷,先前的阻断应力还可能改变随后导通。因而需要三类互补实验:电容随偏置、开关轨迹上的栅极电荷,以及规定应力历史后的导通电阻。

1. 电容是局部导数

对非线性电荷关系 \(q(v)\),

\[C_{diff}(v)=\frac{dq}{dv},\qquad i=C_{diff}(v)\frac{dv}{dt}. \tag{1}\]

小交流信号测的是某个直流偏置附近的增量值;激励过大会跨越变化中的电容。MOSFET 常用等效关系为

\[C_{iss}=C_{gs}+C_{gd},\quad C_{oss}=C_{ds}+C_{gd},\quad C_{rss}=C_{gd}. \tag{2}\]

测量必须注明端子连接、直流偏置、频率、交流幅值、温度和串/并联等效方式,并在夹具参考面做开短路补偿。

2. 电荷与能量不是同一个积分

\[Q_{oss}(V)=\int_0^VC_{oss}(v)dv, \qquad E_{oss}(V)=\int_0^VvC_{oss}(v)dv. \tag{3}\]

只有电容不随电压变化时,才可用同一个 C 同时写成 \(Q=CV\)、\(E=CV^2/2\)。端点等效值

\[C_Q=Q_{oss}/V,qquad C_E=2E_{oss}/V^2 \tag{4}\]

分别适用于换相电荷与能量计算。电路可能回收部分储能,DPT 能量也可能已包含它,不能机械重复加算。

3. 沿真实轨迹测栅极电荷

\[Q_g(t)=\int_{t_0}^ti_g(\tau)d\tau. \tag{5}\]

在规定漏极电压和负载电流下同时测栅极电流、电压,先扣除偏置,再把 \(v_{GS}\) 对累计电荷作图。米勒平台宽度是电荷,不是时间;若平台电流近似恒定,

\[t_{Miller}\approx\frac{Q_{gd}}{I_{g,plateau}}. \tag{6}\]
平台宽度表示电荷;除以实际栅极电流才得到时间。轨迹会随漏压、电流与外部电路变化。 Open full size

4. 动态导通电阻必须带时间坐标

\[R_{on,dyn}(t_d)=\frac{v_{DS,on}(t_d)}{i_D(t_d)},qquad k_{dyn}=\frac{R_{on,dyn}}{R_{on,ref}}. \tag{7}\]

参考值要匹配电流、栅压和结温,并记录预处理。测量通道必须在高阻断电压后迅速恢复到毫伏分辨率;钳位电路的偏置、恢复时间和负载本身就是实验的一部分。先用已知小信号验证钳位恢复,再施加规定关断应力并在指定延时采样;等待太久会把快速恢复掩盖掉。

读出延时属于被测量定义;等待普通探头恢复可能错过短暂电阻升高。 Open full size

5. 可复现比较

电容要扫偏置、频率和温度;栅极电荷要扫漏压、电流和端点;动态电阻要扫应力电压/持续时间、读出延时和温度。保留原始波形、恢复间隔与校准。GaN 没有硅 MOSFET 那样的少子体二极管恢复,但仍有输出电荷、反向导通损耗和动态电阻问题;三者是不同机理。

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