如何精确测试和表征 碳化硅器件的栅极电荷(Qg)
应用指南
新能源领域的快速发展极大地推动了第三代功率半导体的相关应用。栅极电荷Qg是功率半导体器件的重要指标之一，直接影响了功率器件在动态开关场景中的开关时间及驱动损耗等参数，是提高功率器件工作效率的重要因素。但由于以SiC为代表的三代半导体开关速度快，栅极电荷小以及存在开关迟滞效应等，使栅极电荷测试的一致性、可靠性、重复性很难保证。
本文从Qg测量的主流方法入手，展示了基于动静态参数测试设备的方法，并总结了测试中的注意事项与测量技巧。再通过相关新、旧测试标准的解读来进一步了解新器件特点和新旧规范差异。最后，通过基于是德科技功率器件动、静态参数测试系统的大量对比测试及数据分析，给大家展示如何更准确高效地测量栅电荷。
栅极电荷 Qg 通常是描述以栅极电压来控制功率器件(Power MOSFET/IGBT)开关特性的一个关键参数，它是指栅极从某个关闭电压（例如 0V）上升到完全开启电压（例如 15V）时所需的栅极电荷量。栅极电荷的大小直接影响功率器件的开关性能。栅极电荷量越大，导通 MOSFET 所需的电容充电时间越长，开关损耗增加，从而影响开关速度和效率。因此，较小的栅极电荷有助于实现高速开关，减少开关损耗。此外，栅极电荷也是设计栅极驱动电路的关键参数。
栅极电荷指标通常出现在规格书的动态特性表格和特性图中，显示栅源电压与总栅极电荷的特性曲线，典型的曲线如图 1 所示。整个过程可以分为以下几个阶段：
- 初始阶段：当开通脉冲加到G和S极时，输入电容Ciss开始充电，栅极电压VGS线性上升。
- 阈值电压阶段：当VGS达到阈值电压VTH时，漏极开始流过电流，但此时漏源电压VDS仍然保持不变。
- 米勒平台阶段：VGS继续上升，到达米勒平台电压VGS(pl)，此时漏极电流达到最大值，漏源电压开始下降。
- 稳定阶段：米勒平台结束后，漏极电流仍然保持最大值，但漏源电压继续下降，直到稳定在 VDS=ID(max)×RDS(on)。
栅极电荷曲线在功率器件的开通过程中可以帮助理解整个开关过程中的状态变化和电流、电压的变化规律。通过分析栅极电荷曲线，可以更好地设计驱动电路，优化开关性能，减少开关损耗。
使用静态参数测试设备测量栅极电荷 Qg
传统硅基器件的栅极电荷测试可以通过静态参数测试设备完成，然后通过算法拟合提取 Qg 曲线。 下面将介绍如何使用静态参数测试系统来测试 Qg。静态参数设备测试 Qg 过程栅极电荷 (Qg) 的测试通常需要能够提供从高电压到高电流输出的无缝切换的激励源。 同时，仪器必须具有高精度电流和电压测量功能，以确保结果准确。 对于标准的功率器件静态参数测试仪来说，高电压和大电流输出通常由独立的功率模块提供。
- 高压模块通常用于击穿参数测试（例如，BVdss），不需要大电流输出。
- 大电流模块用于测试输出特性和传输特性，不需要高电压输出。
这种配置使得单个源表模块很难满足Qg 测试中漏极和源极之间从高电压到高电流快速过渡的要求。 静态参数测试仪利用高压和大电流模块进行单独测试，从而克服了这一限制。 然后，通过两步栅极电荷测量方法将这些测试的数据拟合在一起，生成高电压和高电流条件下综合的 Qg 结果。这种两步法的具体拟合过程如图 2 所示。
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