表征栅极电荷以确定功率电路设计的最佳器件

表征栅极电荷以确定功率电路设计的最佳器件

作者：是德科技日本公司 Hisao Kakitani 和 Ryo Takeda 技术文章

序言

电源电子器件的市场和技术趋势功率器件性能的大幅提升为高频紧凑型开关电源设计提供了基础。超结 MOSFET 或 GaN FET 等新兴器件有可能在短时间内取代硅基 MOSFET 或 IGBT 等传统器件。部分应用上述创新器件且高达数百 kHz 甚至 1 MHz 以上的高频开关电源现已上市。高频运行可以缩减磁元件尺寸，帮助降低电源电路成本，进而精简电路设计。但是，高频开关将增加功率器件的损耗。功率半导体器件是导致开关电源功率损耗的主要原因。因此，设计电源电子电路时选择最佳的低损耗器件十分重要。

选择最佳功率器件需要的测试

为电源电子电路选择正确的功率器件需要广泛的参数测试，例如阻断电压、泄漏电流和热特征都是重要的可靠性参数，饱和电压、阈值电压、跨导和峰值电流都是重要的运行参数。最大限度地降低功率损耗是设计高效电源电子电路的关键。

功率器件损耗主要分为三类: 驱动功率器件产生的驱动损耗，器件接通或断开时产生的开关损耗以及器件接通条件下产生的传导损耗 (图 1)。开关频率低于 10 kHz 时，功率器件损耗主要来自传导损耗。随着开关频率升高，驱动损耗和开关损耗将成为主要损耗(图 2)。所有类型的功率损耗都可以通过器件固有参数算出。例如，栅极电荷 (Qg) 可以用于计算驱动损耗，通过栅电阻 (Rg) 和器件寄生电容 (或栅极电荷特征) 能够计算开关损耗，传导损耗可以借助导通电阻 (Ron) 算出。因此，能够表征这些参数的测试设备是测量功率损耗的必要工具。器件寄生电容分为输入电容 (Ciss)、输出电容 (Coss) 和反向传输电容 (Crss)。

设计高效电源电子电路的第一步是选择能够平衡导通电阻和器件寄生电容的功率器件。栅极电荷是完全启动功率器件需要的电荷总量，也可以视为描述器件输入电容非线性特征的参数 (Ciss = Cgs + Cgd)。导通电阻和器件寄生电容是造成高开关频率功率器件低 FOM (品质因数) 的重要原因，因为 FOM 是 Qg 和 Ron 的乘积。如果栅电流 (Ig) 恒定，栅极电荷为 Ig 和时间 (t) 的乘积。此时，采样测量栅电压 (Vgs) 可以得到 Qg 曲线。Qg 曲线的第一个线段显示 Vgs 升高，其中器件断开，Ciss_off 由 Ig 充电: 表达式为 Vgs = (1/Ciss_off)*Qg。Cgs 通常远大于 Crss，因此近似表达式为 Vgs = (1/Cgs)*Qg。该阶段的栅极电荷称为 Qgs。Vgs 高于阈值电压 (Vth) 时，漏极 (或集电极) 电流开始流动。该阶段 Vgs 持续升高，直到漏极电流达到 Id-Vgs 特征的额定电流。第二个水平线段中，器件从接通转换为完全启动状态，所有 Ig 电流进入 Crss，因此 Vgs 不变。

驱动电路的设计要点

电路设计人员可以借助栅极电荷特性设计栅极驱动电路并计算驱动损耗。综合考虑器件性能、离散和器件意外接通以设定驱动电压，然后工程师能够根据 Qg 曲线读取总电荷。例如，假设图 6 中 Qg 曲线为 Vds=600 V 且 Id=100 A，如果栅极驱动由 0 升至 15 V，Qg 读数为 500 nC，开关频率是 20 kHz，则驱动损耗为 0.15 W: [P (驱动损耗) = f * Qg * Vg = 20 k *500 n * 15]。此外，如果预期上升时间为 100 ns，则至少需要 5 A [500 nC/100 ns] 的驱动电流。驱动电流不足会降低开关速度，增加开关损耗。因此最大限度地提升驱动电流是设计驱动电路的重要要求。

通常建议从负值开始驱动 IGBT 栅电压，以避免意外接通。Qg 总值应当是负电压和正电压区域的 Qg 值总和。例如，图 6 中栅电压在 15 V 至 +15 V 范围内波动，Qg 增加 400nC，产生 0.27 W 的总驱动损耗: [P (驱动损耗) = 20 k * (400 n + 500 n) * 15]。

开关时间与栅极电荷的关系

根据栅极电荷特性一阶瞬态响应计算开关时间通常需要使用栅极串联电阻 (Rs) 和输入电容 (Ciss)。串联电阻是器件栅电阻 (Rg) 与栅极外接电阻的和。

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