栅极电荷测量技术.pdf
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创新的柵极电荷测量技术,为您的电路设计选择最佳功率器件LiuYuan应用工程师KeysightTechnologiesSeptember23,2014栅极电荷(Qg)测量需求背景信息Page什么是栅极电荷GateChargeCharacterization3负载VddIgVg开关电路CgsCdgDSGCdsVDSttIDVGSVG(p):
平稳电压(PlateauVoltage)Qg是导通/关断开关器件所必需的电荷Q=CV由于结构工艺和制造过程产生的寄生CgsCdgCds恶化了器件的开关速度和开关能量,Datasheet描述为CissCrssCoss(静态)和Qg(动态)PageQg为什么如此重要?
GateChargeCharacterizationMin.Typ.Max.GatetosourcechargeQgs-6-nCVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VGatetodrainchargeQgd-25-nCVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VGatechargetotalQg-50-nCVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VGateplateauvoltageVplateau-5.5-VVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VParameterSymbolValuesUnitNote/TestConditionGatechargecharacteristics4设计栅极驱动电路的关键参数-几乎所有的功率MOSFET和IGBT技术资料中都包括有关Qg的说明通过Qg曲线,可以估算出开关时间参数-与单独使用静态指标电容参数相比,仿真更精确-可利用开关时间参数估算开关器件的开关损耗可用于测试开关器件的驱动损耗栅极驱动器DSGDS低压侧开关高压侧开关G直流直流转换器Page从Qg曲线提取有源输入电容GateChargeCharacterization镜像电容(瞬态)用LCR表测得的CV曲线(静态)与使用LCR表测量CV曲线相比,通过Qg估算所需的电流驱动能力更符合实际情况可以提高设计时电路仿真的精度,可以更加明确筛选时器件标准5Page栅极驱动器在转换器/逆变器中的作用GateChargeCharacterization6设置直流直流转换器逆变器直流直流转换器控制器感应电动机逆变器DSGDS低压侧开关高压侧开关IHILILG高压侧低压侧关断导通关断导通导通关断导通关断关断关断导通导通输出电流IL导通关断PWM控制信号(单相成分)输出信号Page逆变器/转换器中的栅极驱动电路示例GateChargeCharacterization栅极驱动电路功耗更低,这对于减少总体散热系统的体积十分重要7低压侧开关高压侧开关DSGDSGDGSDGSVG-VGPWM栅极驱动栅极从VGS摆动到+VGS,关断速度更快Page器件技术资料中关于Qg的信息并不详尽GateChargeCharacterizationMin.Typ.Max.GatetosourcechargeQgs-6-nCVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VGatetodrainchargeQgd-25-nCVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VGatechargetotalQg-50-nCVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VGateplateauvoltageVplateau-5.5-VVDD=400V,ID=10A,VGS=0to15VParameterSymbolValuesUnitNote/TestConditionGatechargecharacteristics8电流/电压条件非常有限,器件表征不全面仅有典型值,无法判断筛选VGS是从0V摆动到+VGS(导通)Datasheet仅有导通状态的Qg曲线栅极电荷基础PageJEDEC24-2栅极电荷模型GateChargeCharacterizationVgQgS3斜坡1:
S1S2VgplV1V2V3V4S1:
在关断状态下由Ciss确定,主要由Cgs确定S2:
在导通状态下由Ciss+Cds确定,主要由Ciss=Cgs+Cgd确定S3:
在从关断状态到导通状态的瞬态期间由镜像电容(Cgd)确定。
Vgpl:
稳定栅极电压(PlateauVoltage)生成规定值漏电流的栅极电压,更高Id所需时间越长Vg上升更多更高Vgp但所需Qgon不变Q曲线变驱动损耗Qg只与CgsCiss决定的电量以及瞬态放电的Cgd有关,而Cgd瞬态放电量和VD有关测得的曲线外推曲线10PageQg(斜坡1)物理特征GateChargeCharacterizationttVDSIDVGSS1VDS负载IgVGSCgsCgdDSGCdsVSS器件总体上关断Vds恒定为高电压栅极电流Ig几乎全部注入Cgs,Cgs相对VD几乎不变IgVDSCissCossCrss11PageQg(斜坡2)物理特征GateChargeCharacterizationttVDSIDVGSS2VDS负载IgVGSCgsCgdDSGCdsVSS器件总体上导通Vds几乎恒定为低电压栅极电流Ig注入Cgs和Cgd,此时Cgd变大了VDSCissCossCrss12PageQg(斜坡3,稳定电压)物理特征GateChargeCharacterizationttVDSIDVGSS3VDS器件从关断状态变到导通状态Vds从高电压变到低电压消耗栅极电流用于给镜像电容充电(增加有效Cgd)放多少电量Ig就补多少电量Cgd正在放电的(贡献较大放电量由VD决定)Cgd增加(贡献较小)Cgd放电速度接近Ig充电速度,该稳定电压斜率很小,对于Si功率器件几乎为0负载IgVgsCgsDSGCdsVSSVDSCgdVDSCgd放电电流有效Cgd的增加可抵消Vgs的增加,但会更加消耗QgdCissCossCrss13如何测量Qg?
Page目前测量Qg的方法GateChargeCharacterization需要使用电源(VDD),在关断状态下输入高电压,在导通状态下输入强电流15Page如何测量Qg?
GateChargeCharacterization台式Qg测试仪实验室设置开关特征测试仪复杂的设置不可靠的结果20万美元以上,价格高昂单一功能小功率(60V和50A)10万到20万美元16Page现有Qg测量设备的问题GateChargeCharacterization覆盖范围有限-100A/100V,可用于台式解决方案-200A/200V可用于大型开关时间系统复杂的设置和使用-复杂的连接-需要改变负载电阻以改变测量条件-需要手动调节电流负载FET的栅极电压精度和可重复性都较差-精度不在实验室保证范围内设置-分辨率较低17PageB1506A的主要Qg测量特性GateChargeCharacterization宽量程-单一台式设备具有3000V/1500A的宽量程-最大100uCQg,适用于IGBT模块简单方便-与被测器件的连接非常简单,一次连接多参数测量-只需改变输入参数,即可改变Vdd和Id(导通)-电路负载晶体管的栅极电压可自动控制,以输入指定电流精确且可重复-基于SMU的20位等效分辨率和精度功能更多-IV、CV(CissCrssCoss)和Qg-可从VGS(导通)摆动到+VGS(导通)-可测量导通状态到关断状态整个Qg曲线18Page更宽量程GateChargeCharacterization19B1506AT公司I公司I公司(测试仪)C公司(测试仪)VDD0V至3000V5.0V至60.0V100V最大值25V至1200V1V至500VID1500A2.0A至50.0A1A至100A1至200A0.1A至50.0AVG-30V至30V2.0V至15.0V+2V至+20V和-2V至-20V-20V至20V1V至20VIG0A至1A+0.1mA至10mA和-0.2mA至-10mA0至200mA0.01mA至o9.99mAQgS1nC至100C0.5nC至499.9nC无技术指标无技术指标0nC至199.99nCQqd1nC至100C0.5nC至499.9nC无技术指标无技术指标0nC至199.99nCQgS1nC至100C0.5nC至499.9nC无技术指标无技术指标0nC至499.99nCPage最新推荐在B1506A上使用的Qg测量方法GateChargeCharacterization20高电压部分强电流部分QVGS高电压Qg强电流QgDGSDGSUHCUMCSMUMCSMU被测器件负载DGSMCSMU被测器件HVSMU总计最大3kV,8mA最大1500A,60V分别测量强电流/低电压和高电压/弱电流的Qg合并测量结果,提取从高电压关断状态到强电流导通状态的总体Qg曲线实际值Page通过MCSMU执行的电荷测量GateChargeCharacterization21DGSDGSDGS电压驱动(VForce)指定电流限流电流驱动(IForce)电压驱动(VForce)MCSMU给柵级供电,在电压驱动(VForce)模式下工作在开启输出后,测量输出电流达到指定限流要求,MCSMU进入电流驱动(IForce)模式MCSMU在电流驱动(IForce)模式下测量电压和电流MCSMU以2s采样间隔对电压和电流进行采样,通过累积测量Qg如果测量输出电压达到最终值,则MCSMU返回电压驱动(VForce)模式时间VGSVGS(导通)VGS(关断)达到指定电流限流开启输出电压Page在B1506A上步进生成总体Qg电流GateChargeCharacterization使用强电流单元测量指定导通电流的Qg曲线22QVGS所能测最大范围VDS(关断)/ID(导通)B1506A-H21:
40V/1A或20V/20AB1506A-H51:
60V/500AB1506A-H71:
60V/1500A测得的曲线JESD24-2基础外推曲线Page在B1506A上步进生成总体Qg电流GateChargeCharacterization使用高电压单元测量指定关断电压的Qg曲线23VGS所能测最大范围VDS(关断)/ID(导通)3000V/8mA测得的曲线基于JESD24-2外推的曲线QPage在B1506A上步进生成总体Qg电流GateChargeCharacterization合并由强电流单元和高电压单元测得的Qg曲线QVGS强电流单元测得的Qg高电压单元测得的Qg1231:
将高电压单元测得的S1延伸到强电流单元测得的稳定电压(S1由Cgs在Vd(关断)条件下确定;Vgp(稳定电压)由Id(导通)确定)2.将平稳电压延伸到与高电压单元测得的S2斜坡交叉(稳定电压的长度与高电压单元测得的稳定电压几乎相同)3.加上由强电流单元测得的S2斜坡(S2斜坡由Ciss在Id(导通)状态下确定)S2S1假设:
Cgs(关断)和Ciss(开启)在强电流和高电压条件下极其接近强电路与高电压的Vds(导通)差
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- 栅极 电荷 测量 技术